CN116002076B - 基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，在伸展组件中，包括控温半导体层、形状记忆合金层和形状记忆聚合物层，控温半导体层位于形状记忆合金层和形状记忆聚合物层之间。控温半导体层，包括制冷半导体晶粒、柔性隔热材料、铜片和柔性导热材料，制冷半导体晶粒成对存在，相邻的制冷半导体晶粒之间设有柔性隔热材料，位于制冷半导体晶粒两端的铜片分别通过柔性导热材料与形状记忆合金层和形状记忆聚合物层的贴合面连接。本发明通过改变制冷半导体晶粒的电流方向分别控制形状记忆合金层或者形状记忆聚合物层的温度，实现伸展组件的重复可控形变，易于实现自锁定与自展开功能，具有展开冲击小和刚度大的优点。

Description

基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及其使用方法。

背景技术

随着航天事业的发展，空间折展机构逐步趋向于轻量化、大型化和智能化。通过将太阳能板、天线等部件设计为可折展装置能够极大程度上减小包络体积、提高空间利用率。航天领域传统的折展机构依赖于机械结构驱动，机械结构驱动关节铰链的驱动方式主要有：弹簧铰链、电机、电机弹簧混合和高弹性材料等，具有占据空间大、质量大和展开冲击大等缺点。

具有形状记忆功能的铰链结构在一定程度上解决了机械结构驱动的缺陷。形状记忆合金(SMA)具有低温下加载并卸载后出现残余应变，高温(>Af)下可消除残余应变、恢复固有形状的特性。热塑性形状记忆聚合物(SMP)在相变温度t_g以下为高强度的玻璃态，在相变温度t_g以上时转为高弹性的橡胶态。使用形状记忆合金以及形状记忆聚合物制成的自驱动铰链结构已在航天领域得到了运用。如专利一种形状记忆铰链展开结构中，伸展装置由豆荚杆型形状记忆聚合物制成，并由加热膜加热展开；专利一种基于形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗机构，利用形状记忆聚合物弹簧实现往复运动；论文《微热控百叶窗驱动器的分析与模拟》中，提出了一种微热控百叶窗驱动器，该驱动器利用热电制冷作为温控装置，利用高膨胀系数的金属作为活动部件，实现热控百叶窗的开合。

半导体制冷是利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，通过电流实现主动可控热流传递，如申请号为CN202221093197.4的实用新型专利中，多个导热片的外侧面和多个导冷片的外侧面设有柔性导热薄膜，使得半导体制冷片具有良好的弯曲性能，能够贴合各种终端曲面，保证制冷效果。

上述的专利或论文中存在以下不足：对于单程形状记忆铰链，在通过加热膜加热后恢复初始形状，无法重复折展；由于双程形状记忆材料会对激励产生实时响应，对于双程形状记忆展开结构，需保持对形状记忆材料的刺激条件，因此维持形态需消耗较大能源或只能依赖外界环境的刺激，无法实现低能耗的主动控制。因此，本发明提出一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及使用方法，通过采用“形状记忆合金层+控温半导体层+形状记忆聚合物层”的多层复合结构，分别向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通交流电或者直流电，利用形状记忆材料的特性使铰链装置在收拢状态到展开状态以及自锁展开状态到自锁收拢状态重复切换，从而在不需要持续供能、维持形状记忆材料刺激条件的前提下实现稳定可控的双程形状记忆功能，极大的降低了航天器双程形状记忆折展结构的能量消耗，提高了航天器的内外部空间利用效率以及折展机构在太空中的生存性。

本发明提供了一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其包括伸展组件和夹具，所述伸展组件为平板型，所述伸展组件的两侧对称设有夹具。所述伸展组件，其包括控温半导体层和形状记忆材料层，所述形状记忆材料层，其包括形状记忆合金层和形状记忆聚合物层，所述控温半导体层位于所述形状记忆合金层和所述形状记忆聚合物层之间，所述控温半导体层实现伸展组件中热流的主动控制，使所述形状记忆合金和所述形状记忆聚合物交替实现形状记忆效应；所述控温半导体层，其包括制冷半导体晶粒、柔性隔热材料、铜片和柔性导热材料，所述制冷半导体晶粒成对存在，相邻的所述制冷半导体晶粒之间设有所述柔性隔热材料，位于所述制冷半导体晶粒两端的铜片分别通过柔性导热材料与所述形状记忆合金层和所述形状记忆聚合物层的贴合面连接。所述制冷半导体晶粒沿伸展组件的弯曲方向以间距为1.3mm～6.2mm分布，所述制冷半导体晶粒在垂直于伸展组件的弯曲方向以间距为1mm～4mm分布，从而保证所述制冷半导体晶粒的填充率以及制冷制热功率。所述伸展组件的弯曲中性面位于所述控温半导体层的内部，在所述伸展组件中形状记忆合金层的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件的弯曲中性面的弯曲半径，a为形状记忆合金层的厚度，b₁为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆合金层贴合面的距离；

所述伸展组件中形状记忆聚合物层的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件的弯曲中性面的弯曲半径，ρ为伸展组件制造时的弯曲半径，c为形状记忆聚合物层厚度，b₁为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆合金层贴合面的距离，b₂为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆聚合物层贴合面的距离。

所述伸展组件中控温半导体层的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件的弯曲中性面的弯曲半径，ρ为伸展组件制造时的弯曲半径，b₁为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆合金层贴合面的距离，b₂为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆聚合物层贴合面的距离。

可优选的是，当伸展组件处于收拢状态时，所述形状记忆合金层具有最大应变，具体表达式如下：

其中，a为形状记忆合金层的厚度，b₁为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆合金层贴合面的距离，ρ₁为伸展组件在展开状态下弯曲半径；

当伸展组件处于展开状态时，所述控温半导体层具有最大应变，具体表达式如下：

其中，b₂为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆聚合物层贴合面的距离，ρ₁为伸展组件在展开状态下弯曲半径，ρ为伸展组件制造时的弯曲半径；

当伸展组件处于展开状态时，所述形状记忆聚合物层具有最大应变，具体表达式如下：

其中，b₂为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆聚合物层贴合面的距离，c为形状记忆聚合物层厚度，ρ₁为伸展组件在展开状态下弯曲半径，ρ为伸展组件制造时的弯曲半径。

可优选的是，所述伸展组件在展开状态时的弯曲半径ρ₁为6mm～30mm。

可优选的是，所述制冷半导体晶粒的长度为所述控温半导体层厚度的0.7～0.9倍，所述制冷半导体晶粒的横截面为边长1mm～3mm的矩形。

可优选的是，与所述控温半导体层连接的控温系统为场效应管组成H桥的驱动芯片。

可优选的是，所述伸展组件的总厚度d为3-15mm。

可优选的是，所述形状记忆合金层为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-Zr、Ti-Nb、U-Nb或Fe-Mn-Si中的任一种或几种，所述形状记忆聚合物层为环氧类或氰酸酯类形状记忆聚合物树脂中的任一种或几种，所述制冷半导体晶粒为PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、Sb2Te3、Sb2Se3、Sb2Te、Bi2Te3、SbI3、Bi2Se3或TeI4中的任一种或几种。

本发明的另外一方面，提供一种用于前述基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的使用方法，其包括以下步骤：

S1、在双程形状记忆铰链装置处于初始收拢状态下，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通交流电，使分别位于制冷半导体晶粒两端的形状记忆合金层和形状记忆聚合物层受热，直到形状记忆合金层和形状记忆聚合物层的温度均高于各自的相变温度，此时分别利用形状记忆合金和形状记忆聚合物的特性将双程形状记忆铰链装置从收拢状态变为展开状态；

S2、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S1的展开状态下，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通直流电，使位于制冷半导体晶粒第一端的形状记忆合金层受热，此时形状记忆合金层的温度高于自身相变温度并保持展开状态，使位于制冷半导体晶粒第二端的形状记忆聚合物层受冷，此时形状记忆聚合物层的温度低于自身相变温度；

S3、在步骤S2的基础上，停止对控温半导体层中的制冷半导体晶粒的通电通直流电，此时在外界环境下，形状记忆合金层和形状记忆聚合物层克服控温半导体层的阻力，使双程形状记忆铰链装置从展开状态变为收拢状态并维持在展开状态实现自锁紧；

S4、在双程形状记忆铰链装置处于自锁紧的状态下进行收拢时，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通与步骤S2方向相反的直流电，使位于制冷半导体晶粒第二端的形状记忆聚合物层受热，此时形状记忆聚合物层的温度高于自身相变温度，使位于制冷半导体晶粒第一端的形状记忆合金层受冷，此时形状记忆合金层的温度低于自身相变温度，形状记忆聚合物层克服控温半导体层与形状记忆合金层的阻力，使双程形状记忆铰链装置从自锁紧的展开状态恢复至收拢状态；

S5、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S4的收拢状态下，停止对控温半导体层中的制冷半导体晶粒的通电通直流电，此时在外界环境下，形状记忆聚合物层降温至自身相变温度以下，使双程形状记忆铰链装置维持在收拢状态并实现自锁紧。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明相较于机械传动结构展开，无需电机结构驱动，具有驱动、承载一体化的特点，能够满足现代航天器对折展装置展开冲击小、重量轻、占据空间小、实现自锁的功能需求。

2.本发明相对比于传统的形状记忆铰链，采用了“形状记忆材料层+控温半导体层+形状记忆材料层”的多层复合结构，在同时使用形状记忆合金与形状记忆聚合物时使得铰链能够在低温与高温下形成强度互补，在铰链静止状态、展开过程中均保持良好的强度，提高了铰链对太空温度骤变的恶劣环境的适应能力，保障了航天器在发射与铰链展开时的可靠性。

3.本发明通常半导体制冷片采用陶瓷片导热，故为刚性组件，且由于陶瓷难以承受剧烈的温度变化，无法实现短时间内的冷热端交换。本发明所述的控温半导体层采用柔性隔热材料填充，无需使用陶瓷片导热，具备高柔性、高热阻的特点，通过PWM调节的方式来控制半导体制冷器两端电压通断与方向，实现热能的可控定向传递，满足伸展装置双程形状记忆、大形变的功能需求。

4.本发明使用半导体制冷层通电加热的方法取代传统的贴附柔性加热膜的方法对形状记忆材料进行加热/制冷，在不需要持续供能、维持形状记忆材料刺激条件的前提下实现稳定可控的双程形状记忆功能，极大的降低了航天器双程形状记忆折展结构的能量消耗。

5.本发明可用于实现航天器可折展机构多次折展的功能，提高了航天器的内外部空间利用效率以及折展机构在太空中的生存性。

附图说明

图1为本发明基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的展开示意图；

图2为本发明基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的收拢示意图；

图3为本发明基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的阶梯剖面示意图；

图4为本发明基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的截面结构示意图；

图5为本发明基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的使用方法的工作流程图。

主要附图标记：

伸展组件1，控温半导体层11，制冷半导体晶粒111，柔性隔热材料112，铜片113，柔性导热材料114，形状记忆合金层12，形状记忆聚合物层13，夹具2。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置可在太空恶劣环境中实现双程形状记忆功能，实现伸展组件1的重复可控形变,且无需耗费额外能源维持双程形状记忆所需的环境响应条件。本发明装置的具体结构如图3和图4所示，采取“形状记忆合金层12-控温半导体层11-形状记忆聚合物层13”的多层结构，具体包括伸展组件1和夹具2，伸展组件1为平板型，伸展组件1的两侧对称设有夹具2，夹具2用于将伸展组件1与航天器需要展开的部分连接，伸展组件1不仅可单个使用，而且可通过多个串联和/或多个并联复数连接起来使用，相邻的伸展组件1之间通过两侧的夹具2连接。

具体而言，夹具2与伸展组件1通过黏合或者螺纹等方式连接，同时夹具2与航天器也通过黏合、螺纹或者焊接等方式连接；优选使用螺栓螺母连接。

在本发明的一个优选实施例中，伸展组件1，包括一层控温半导体层11和两层形状记忆材料层，形状记忆材料层可以是单一的形状记忆合金、形状记忆聚合物或由形状记忆合金和形状记忆聚合物组合而成，具有不同的相变温度，控温半导体层11用于为形状记忆材料层制热和/或制冷，形状记忆合金层12中材料的相变温度高于形状记忆聚合物层13中材料的相变温度。

形状记忆材料层，包括形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13，控温半导体层11位于形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13之间，控温半导体层11对两侧的形状记忆材料层制热或制冷，实现伸展组件1中热流的主动控制，使形状记忆合金和形状记忆聚合物交替实现形状记忆效应，从而实现形状记忆铰链装置的重复折展。

控温半导体层11，包括制冷半导体晶粒111、柔性隔热材料112、铜片113和柔性导热材料114，制冷半导体晶粒111成对存在，由于制冷半导体晶粒111为硬脆材料，无法产生形变以适应伸展组件1的曲率变化，故在相邻的制冷半导体晶粒111之间设有柔性隔热材料112，位于制冷半导体晶粒111两端的铜片113分别通过柔性导热材料114与形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13的贴合面连接，铜片111保证了制冷半导体晶粒111良好的导电性，使用柔性导热材料114连接制冷半导体晶粒111两端与形状记忆合金及形状记忆聚合物以保障热接触良好。

具体而言，形状记忆合金层12为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-Zr、Ti-Nb、U-Nb或Fe-Mn-Si中的任一种或几种，形状记忆聚合物层13为环氧类或氰酸酯类形状记忆聚合物树脂中的任一种或几种，制冷半导体晶粒11为PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、Sb2Te3、Sb2Se3、Sb2Te、Bi2Te3、SbI3、Bi2Se3或TeI4中的任一种或几种。

在本发明双程形状记忆铰链装置中，形状记忆合金层12的初始形状为平面板，在低温环境下使用专用夹具向形状记忆合金层12进行加载，此时形状记忆合金内的马氏体重新取向，由孪晶马氏体转变为非孪晶马氏体，使形状记忆合金层12在残余应变的作用下变形为曲率为ρ的曲面板。控温半导体层11与形状记忆聚合物层13初始形状均为曲率为ρ的曲面板。将上述具有相同曲率的曲面板按照形状记忆合金层12、控温半导体层11和形状记忆聚合物层13的顺序依次使用粘合剂粘结。

进一步的，为控制制冷半导体晶粒111的填充率以及制冷/制热功率，制冷半导体晶粒111沿伸展组件1的弯曲方向以间距为1.3mm～6.2mm分布，制冷半导体晶粒111在垂直于伸展组件1的弯曲方向以间距为1mm～4mm分布。

根据试验可知，形状记忆合金层12在低温(马氏体)下的弹性模量为29.5GPa、在高温(奥氏体)下的弹性模量为74.4GPa；形状记忆聚合物层13在低温(玻璃态)下的弹性模量为3.85GPa，在高温(橡胶态)下的弹性模量为1.05GPa，柔性隔热材料112的弹性模量约为1GPa。因此在本发明的一个优选实施例中，将控温半导体层11、形状记忆合金层12与形状记忆聚合物层13按厚度比为1:5:7布置，则得到最终的伸展组件1的总厚度d为3mm～15mm，伸展组件1在展开状态时的弯曲半径ρ₁为6mm～30mm。

与控温半导体层11连接的控温系统为场效应管组成H桥的驱动芯片。通过采用脉宽调制技术即PWM占空比调节的方式来控制制冷半导体晶粒111两端电压的通断。

伸展组件1的弯曲中性面位于控温半导体层11的内部，在伸展组件1中形状记忆合金层12的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件1的弯曲中性面的弯曲半径，弯曲半径ρ(t)随时间变化，a为形状记忆合金层12的厚度，b₁为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆合金层12贴合面的距离。

伸展组件1中形状记忆聚合物层13的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件1的弯曲中性面的弯曲半径，弯曲半径ρ(t)随时间变化，ρ为伸展组件1制造时的弯曲半径，c为形状记忆聚合物层13的厚度，b₁为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆合金层12贴合面的距离，b₂为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆聚合物层13贴合面的距离。

伸展组件1中控温半导体层11的应变表达式为：

其中，ρ(t)为伸展组件1的弯曲中性面的弯曲半径，弯曲半径ρ(t)随时间变化，ρ为伸展组件1制造时的弯曲半径，b₁为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆合金层12贴合面的距离，b₂为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆聚合物层13贴合面的距离。

在本发明双程形状记忆铰链装置中，柔性隔热材料112的拉伸应变需小于25％，根据控温半导体层11的应变表达式可得，控温半导体层11内部的制冷半导体晶粒111沿折展方向的填充率需控制小于40％。进一步的，为了保证伸展组件1展开速率与结构可靠性，控温半导体层11的最大制冷/制热功率不小于0.6w/cm2，选用制冷半导体晶粒111的长度为控温半导体层11厚度的0.7～0.9，即0.8mm～5.2mm；制冷半导体晶粒111的横截面选取边长1～3mm的矩形。

在本发明的一个优选实施例中，当伸展组件1处于收拢状态时，形状记忆合金层12具有最大应变，具体表达式如下：

其中，a为形状记忆合金层12的厚度，b₁为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆合金层12贴合面的距离，ρ₁为伸展组件1在展开状态下弯曲半径。

当伸展组件1处于展开状态时，控温半导体层11具有最大应变，具体表达式如下：

其中，b₂为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆聚合物层13贴合面的距离，ρ₁为伸展组件1在展开状态下弯曲半径，ρ为伸展组件1制造时的弯曲半径。

同时，形状记忆聚合物层13也具有最大应变，具体表达式如下：

其中，b₂为伸展组件1的弯曲中性面到形状记忆聚合物层13贴合面的距离，c为形状记忆聚合物层13厚度，ρ₁为伸展组件1在展开状态下弯曲半径，ρ为伸展组件1制造时的弯曲半径。

进一步的，本发明双程形状记忆铰链装置中控温半导体层11、形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13中所用材料的主要工作原理如下：

形状记忆聚合物层13中形状记忆聚合物(SMP)种类繁多，主要包含热致型、光致型、电致型、磁致型和化学感应型。其中热塑性形状记忆聚合物在相变温度t_g以下为高强度的玻璃态，在相变温度t_g以上时转为高弹性的橡胶态。将热塑性形状记忆聚合物加热到t_g温度以上，加载并降温，此时将出现残余应变，此残余应变将在重新加热后消失。

形状记忆合金层12中形状记忆合金(SMA)主要有两种金相：低温相马氏体相和高温相奥氏体相。形状记忆合金在低温下加载并卸载，卸载后存在残余应变，此时使形状记忆合金升温并超过其奥氏体相变温度时，残余应变将消失，合金恢复初始形状。描述其宏观唯象本构的Brinson模型如下：

σ-σ₀＝E(ε-ε₀)+Ω_S(ξ_S-ξ_S0)+Ω_T(ξ_T-ξ_T0)+Θ(T-T₀)

其中，σ，σ₀为SMA的应力和初始应力；ε，ε₀为SMA的应变和初始应变；T，T₀为SMA的温度和初始温度；ξ_S，ξ_S0为应力导致的马氏体含量和初始含量；ξ_T，ξ_T0为温度导致的马氏体含量和初始含量；E为SMA的的弹性模量；Ω_S，Ω_T为应力与温度导致的相变模量；Θ为热弹性模量。

由于热弹性模量远小于相变模量，故Brinson模型可简化为：

σ＝[ξE_M+(1-ξ)E_A](ε-ε_Lξ)

ξ＝ξ_S+ξ_T

其中，E_M为纯马氏体弹性模量；E_A为纯奥氏体弹性模量；ε_L为SMA最大残余应变。

控温半导体层11采用半导体制冷技术，其又称热电制冷技术，其工作原理主要为帕尔帖效应。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象。当电流方向改变时，热传导的方向也随之改变。现有技术主要将半导体晶粒成对地贴在两片陶瓷之间，实现热传导。

本发明双程形状记忆铰链装置的结构相比于传统的机械式伸展装置具有重量小、易于实现自锁定与自展开功能、展开冲击小、刚度大的优点。本发明打破了以往双程形状记忆材料保持形变需维持外界刺激的限制，可改变半导体通过的电流方向控制各形状记忆材料层温度，实现伸展组件的重复可控形变。本发明可在太空恶劣环境中实现双程形状记忆功能，大幅降低了航天领域实现双程形状记忆所需的能源，为空间折展机构提供新的思路。

以下结合实施例对本发明一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的使用方法做进一步描述：

在本实施例中，T₀表示外部环境的平衡温度，T₁表示形状记忆聚合物的相变温度，T₂表示形状记忆合金的相变温度。初始状态下，形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13的温度均为环境平衡温度T₀，形状记忆合金层12处于马氏体态，形状记忆聚合物层13处于玻璃态。

基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的使用方法，如图5所示，图5中A状态为初始状态，B状态为收拢状态，C状态为展开状态，各阶段中材料所处的状态如表1所示，具体包括以下步骤：

S1、双程形状记忆铰链装置处于初始收拢状态下，如图2所示，向控温半导体层11中的制冷半导体晶粒111通交流电，使分别位于制冷半导体晶粒111两端的形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13受热，直到形状记忆合金层12达到相变温度T₂，形状记忆聚合物层13达到相变温度T₁，此时形状记忆合金由马氏体转变为奥氏体，弹性模量上升并恢复初始形状，形状记忆聚合物转变为橡胶态，弹性模量迅速下降，形状记忆合金层12克服控温半导体层11与形状记忆聚合物层13的阻力，将铰链装置从收拢状态变为展开状态。

S2、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S1的展开状态下，如图1所示，向控温半导体层11中的制冷半导体晶粒111通直流电，使位于制冷半导体晶粒111第一端的形状记忆合金层12受热，此时形状记忆合金层12的温度达到相变温度T₂并保持展开状态，使位于制冷半导体晶粒111第二端的形状记忆聚合物层13受冷，此时形状记忆聚合物层13的温度低于相变温度T₁，转化为高强度的玻璃态。

S3、在步骤S2的基础上，停止对控温半导体层11中的制冷半导体晶粒111通直流电，此时在外部环境的平衡温度T₀下，伸展组件1各部分向外界环境进行辐射来缓慢降温至平衡温度T₀，形状记忆合金转变为马氏体，形状记忆合金层12和形状记忆聚合物层13克服控温半导体层11的阻力，使双程形状记忆铰链装置维持在展开状态实现自锁紧，处于此状态下的双程形状记忆铰链装置可在无需供能的情况下长期保持。

S4、在双程形状记忆铰链装置处于展开的状态下需要进行收拢时，向控温半导体层11中的制冷半导体晶粒111通与步骤S2方向相反的直流电，使位于制冷半导体晶粒111第二端的形状记忆聚合物层13受热，此时形状记忆聚合物层13的温度高于相变温度T₁，形状记忆聚合物处于橡胶态，具有较大的可恢复应变；使位于制冷半导体晶粒111第一端的形状记忆合金层12受冷，此时形状记忆合金层12的温度低于相变温度T₂，形状记忆合金为马氏体，弹性模量较小且可具备较大的残余应变；形状记忆聚合物层13克服控温半导体层11与形状记忆合金层12的阻力，缓慢消除残余应变，使双程形状记忆铰链装置从自锁紧的展开状态恢复至收拢状态。

S5、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S5的收拢状态下，停止对控温半导体层11中的制冷半导体晶粒111的通电通直流电，此时在外部环境的平衡温度T₀下，形状记忆聚合物层13向外界环境进行辐射来缓慢降温至相变温度T₁以下，进一步降温至平衡温度T₀，形状记忆聚合物转变为高强度玻璃态，使双程形状记忆铰链装置维持在收拢状态并实现自锁紧。

若双程形状记忆铰链装置需要再次展开与收拢，重复S1到S5。

表1双程形状记忆铰链装置在各阶段的状态

在航天技术领域，本发明双程形状记忆铰链装置相比于传统的利用机械式伸展装置可有效降低折展装置的重量，能实现自锁定与自展开功能，且采取形状记忆合金与形状记忆聚合物的复合结构可实现形状记忆铰链在各温度下的强度互补，其展开过程阻尼较大，展开冲击较小，可用于航天器外部构件连接，实现重复折展的功能。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其包括伸展组件和夹具，所述伸展组件为平板型，所述伸展组件的两侧对称设有夹具，其特征在于，

所述伸展组件，其包括控温半导体层和形状记忆材料层，所述形状记忆材料层，其包括形状记忆合金层和形状记忆聚合物层，所述控温半导体层位于所述形状记忆合金层和所述形状记忆聚合物层之间，所述控温半导体层实现伸展组件中热流的主动控制，使所述形状记忆合金和所述形状记忆聚合物交替实现形状记忆效应；所述控温半导体层，其包括制冷半导体晶粒、柔性隔热材料、铜片和柔性导热材料，所述制冷半导体晶粒成对存在，相邻的所述制冷半导体晶粒之间设有所述柔性隔热材料，位于所述制冷半导体晶粒两端的铜片分别通过柔性导热材料与所述形状记忆合金层和所述形状记忆聚合物层的贴合面连接；

所述制冷半导体晶粒沿伸展组件的弯曲方向以间距为1.3mm～6.2mm分布，所述制冷半导体晶粒在垂直于伸展组件的弯曲方向以间距为1mm～4mm分布，从而保证所述制冷半导体晶粒的填充率以及制冷制热功率；

所述伸展组件的弯曲中性面位于所述控温半导体层的内部，在所述伸展组件中形状记忆合金层的应变表达式为：

所述伸展组件中形状记忆聚合物层的应变表达式为：

所述伸展组件中控温半导体层的应变表达式为：

当伸展组件处于收拢状态时，所述形状记忆合金层具有最大应变，具体表达式如下：

当伸展组件处于展开状态时，所述控温半导体层具有最大应变，具体表达式如下：

当伸展组件处于展开状态时，所述形状记忆聚合物层具有最大应变，具体表达式如下：

其中，ε_SMAmax、ε_SMAmin分别为伸展组件中形状记忆合金层的最大应变和最小应变，ε_SMPmax、ε_SMPmin分别为伸展组件中形状记忆聚合物层的最大应变和最小应变，ε_控温max、ε_控温min分别为伸展组件中控温半导体层的最大应变和最小应变，ρ(t)为伸展组件的弯曲中性面的弯曲半径，a为形状记忆合金层的厚度，b₁为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆合金层贴合面的距离，ρ为伸展组件制造时的弯曲半径，c为形状记忆聚合物层厚度，b₂为伸展组件的弯曲中性面到形状记忆聚合物层贴合面的距离，ρ₁为伸展组件在展开状态下弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其特征在于，所述伸展组件在展开状态时的弯曲半径ρ₁为6mm～30mm。

3.根据权利要求1所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其特征在于，所述制冷半导体晶粒的长度为所述控温半导体层厚度的0.7～0.9倍，所述制冷半导体晶粒的横截面为边长1mm～3mm的矩形。

4.根据权利要求1所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其特征在于，与所述控温半导体层连接的控温系统为场效应管组成H桥的驱动芯片。

5.根据权利要求1或者2所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其特征在于，所述伸展组件的总厚度d为3-15mm。

6.根据权利要求1所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，其特征在于，所述形状记忆合金层为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-Zr、Ti-Nb、U-Nb或Fe-Mn-Si中的任一种或几种，所述形状记忆聚合物层为环氧类或氰酸酯类形状记忆聚合物树脂中的任一种或几种，所述制冷半导体晶粒为PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、Sb2Te3、Sb2Se3、Sb2Te、Bi2Te3、SbI3、Bi2Se3或TeI4中的任一种或几种。

7.一种根据权利要求1-6之一所述的基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、在双程形状记忆铰链装置处于初始收拢状态下，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通交流电，使分别位于制冷半导体晶粒两端的形状记忆合金层和形状记忆聚合物层受热，直到形状记忆合金层和形状记忆聚合物层的温度均高于各自的相变温度，此时分别利用形状记忆合金和形状记忆聚合物的特性将双程形状记忆铰链装置从收拢状态变为展开状态；

S2、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S1的展开状态下，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通直流电，使位于制冷半导体晶粒第一端的形状记忆合金层受热，此时形状记忆合金层的温度高于自身相变温度并保持展开状态，使位于制冷半导体晶粒第二端的形状记忆聚合物层受冷，此时形状记忆聚合物层的温度低于自身相变温度；

S3、在步骤S2的基础上，停止对控温半导体层中的制冷半导体晶粒的通电通直流电，此时在外界环境下，形状记忆合金层和形状记忆聚合物层克服控温半导体层的阻力，使双程形状记忆铰链装置从展开状态变为收拢状态并维持在展开状态实现自锁紧；

S4、在双程形状记忆铰链装置处于自锁紧的状态下进行收拢时，向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通与步骤S2方向相反的直流电，使位于制冷半导体晶粒第二端的形状记忆聚合物层受热，此时形状记忆聚合物层的温度高于自身相变温度，使位于制冷半导体晶粒第一端的形状记忆合金层受冷，此时形状记忆合金层的温度低于自身相变温度，形状记忆聚合物层克服控温半导体层与形状记忆合金层的阻力，使双程形状记忆铰链装置从自锁紧的展开状态恢复至收拢状态；

S5、在双程形状记忆铰链装置处于步骤S4的收拢状态下，停止对控温半导体层中的制冷半导体晶粒的通电通直流电，此时在外界环境下，形状记忆聚合物层降温至自身相变温度以下，使双程形状记忆铰链装置维持在收拢状态并实现自锁紧。