2 钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计-不同厂家的钛丝区别

钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、肌肉丝、镍钛记忆合金，它是由Ni（镍）- Ti（钛）材料组成，经过多道工序制成的丝，财哥简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。钛丝驱动技术（nitidrivetech）目前已经在航空航天、医疗、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过公开分享、科普钛丝驱动技术的可靠性设计经验，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效地转化为科技成果。

二、不同厂家生产的钛丝有什么区别

目前全球的钛丝生产厂家，同样规格的钛丝特性都有所不同，选择合适自己产品的钛丝至关重要，我们需要检测和验证不同厂家的钛丝，能否满足自己产品的需求。

下面财哥从钛丝的驱动力、钛丝的驱动相变温度、钛丝的记忆特性和钛丝的收缩率这4个方面来分享不同厂家的钛丝特点。

1、钛丝的驱动力

财哥在上一章节有提到这项关联性指标，同时强调了每个不同厂家的钛丝，驱动力是不一样的。通常钛丝的驱动力在150-200MPA；有些钛丝能做到300-500MPA，有些细的钛丝可以做到500-600MPA。

举例来说：

假如175MPA的0.15mm线径的钛丝，驱动力量是315g

假如350MPA的0.15mm线径的钛丝，驱动力量是631g

显然，350MPA的钛丝，具备更加强劲的驱动力量。我们在设计产品的过程中，选择高兆帕值的钛丝，具有相当多的力量空间和余量空间。同时也奠定了我们的产品具备较高的可靠性和使用寿命基础。

2、钛丝的驱动相变温度

钛丝的驱动相变温度指标，财哥从其驱动温度、温度偏差值、冷却恢复温度来讲。

2.1钛丝的驱动温度

钛丝的驱动驱动温度是指钛丝通电发生明显的驱动收缩过程，其对应钛丝的自身温度。这个温度是一个范围值，它是从钛丝开始发生明显的收缩，到不再继续收缩过程中的对应温度范围。

例如：以下图片中的红线条，描述了钛丝的驱动收缩和对应的温度关系曲线。

我们可以看到钛丝发生明显收缩时候的温度值是70°，即为钛丝的驱动相变温度。

目前不同厂家标称的相变温度从20°、40°、60°、80°到100°不等，且大部分的商家标称是有一定出入的，这需要有一定资质的厂家才能够提供有效的数据资料。财哥建议大家在索取样品时，同时能够提供相应的参数资料，方便大家的后续验证数据。

财哥将市面上的钛丝划分为两类，一类是常温材料，一类是高温材料；

应用钛丝驱动的产品中，相变温度越高，产品越不容易受到环境温度的影响，稳定性越好；相变温度过低，则较容易发生故障。

例如：某户外的快递柜，采用了钛丝锁，在夏天暴晒后，柜体温度升高，可以正常扫码开门，但是经常出现门关不上的情况。后来经检验发现，这批锁采用的是常温钛丝，相变温度约50°，导致在夏天户外高温环境下钛丝一直处于收缩状态，无法冷却复位。

所以我们在设计产品之前，需要根据应用场景的实际温度情况，优先选择相变高温较高的钛丝。

2.2温度偏差值

钛丝是有温度偏差范围值的。

同一批生产的材料，由于镍钛材料的融合均匀比例不可能达到理想状态，导致了钛丝的相变温度出现了一定的波动。控制较好的生产厂家，一般可以做到20°~10°以内的偏差波动。

例如上图红线所示，上第一条红线表示的是相变温度较高的钛丝，约90度；第二条红线表示的是相变温度较低的钛丝，约70度；那么它的偏差值就是20度。

各厂家采用的原材料和熔炼工艺的不同，导致钛丝表现出不同的相变温度和相变温度偏差，市面上常见的钛丝相变温度偏差有20度~50度不等。

相对高标准严要求的厂家至关重要，大家可以关注供应商的原材料和生产的管控，供应商管控越强，精准度和稳定性一定是越好的。

原材料配比和熔炼工艺的精度越高，相变温度范围越窄，相变温度偏差值越小；精度越低，相变温度范围越宽，相变温度偏差值越大。

2.3冷却恢复温度

钛丝的冷却恢复是指我们给通电驱动收缩的钛丝断电后，钛丝在牵引力量的前提下冷却恢复到它原来的长度。钛丝的冷却恢复温度是另一个较为重要的指标，它决定了我们的驱动机构所在的环境温度下正常重复工作的可行性和可靠性。（MF越高，冷却恢复越快，使用环境温度越宽）

我们需要重视钛丝冷却恢复温度的上限，是否和我们的环境温度接近或重叠。如果出现环境温度接近或高于钛丝冷却恢复温度的上限，那么大概率会出现钛丝驱动后无法恢复的现象。

例如：户外产品，特别是夏天高温环境，如果采用的钛丝冷却恢复温度上限是60度，就容易发生驱动机构失灵的现象。

目前多厂家在标示这些数据的时候，往往以范围值的形式标示，极其容易混淆（有些连厂家自己都分不清楚）。

综上，财哥建议大家在选择钛丝的时候，优先选择相变温度高，相变温度偏差值小，冷却恢复温度高的钛丝厂家，从而提高大家产品的可靠性和稳定性。

3、钛丝的记忆特性

市面上主流的钛丝分为单程记忆效应和双程记忆效应，由于各厂家加工的工艺不同，生产出来的钛丝具有单程记忆效应和双程记忆效应这两种不同的特征。

单程记忆钛丝具有以下特点：

1）通电收缩后不可逆。在产品应用当中，需要较大的初始载荷，使其驱动收缩后，通过这个较大的拉力来拉回到初始长度。

2）单程记忆钛丝的应用力量的范围较大。可达500MPA。

3）相比双层记忆钛丝，其状态稳定性较高。对于偏置力学机构的设计要求较高。

适合用在高寿命，高稳定性的产品应用场景。

双程记忆钛丝具有以下特点：

1）通电收缩后可自行恢复。它记得冷的状态和热的状态，在产品当中，我们只需要较小的初始载荷，就可以迅速恢复到原来的长度。

2）双程记忆钛丝的应用力量的范围较小，不会超过250MPA。

适合用在驱动机构特别紧凑，较小力量的场景。对偏置力和控制精度的依赖性不高的简单驱动应用产品。对驱动过程中的“时间-行程”控制要求不高的产品。

目前大部分厂家生产的钛丝是单程记忆钛丝，也有少部分厂家的钛丝是双程记忆钛丝，大家可以根据自己的产品特性和要求来选择合适的类型钛丝。

3、钛丝的收缩率

财哥测试了市面上常见的钛丝，发现不同厂家的钛丝通电收缩位移是不一样的，从3%~5%不等。

下面是给出的不同厂家的钛丝收缩率对比图，供各位参考：

这个收缩率为样品测试参考，在高寿命的前提下，这个值会有一定的衰减。当然驱动收缩率越大，产品的位移容量空间和寿命越好，所以财哥给大家的建议也是优先选择较大位移收缩率的钛丝。

（关于记忆合金的种类应该是单程、双程、全程，由于我们主要用前两种，全程的未在文中说明。另外财哥在专家的指导意见下，就原来写的本章节的错误部分做了纠正，在此由衷感谢金老的支持和无私贡献！）

作者：财哥说钛丝

审核编辑 黄宇