CN101426629A - 活性的结构可变换的工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于塑模中的结构可变换的工具，包括含有活性材料的活性元件，其中活化时所述活性元件处于操作状态以容许从所述的塑模或模塑的部件的开口***或除去所述的结构可变换的工具。本发明还公开了在模塑操作中使用结构可变换的工具的方法，包括将熔融的聚合物树脂、金属、陶瓷或包括熔融的聚合物树脂、金属或陶瓷的组合倾倒在含有结构可变换的工具的塑模中，其中该结构可变换的工具包括活性元件，该元素在施加外界刺激时可以被活化；和活化该活性元件。

Description

活性的结构可变换的工具

对相关申请的交叉引用

该申请要求享受2004年3月12日提交的美国临时申请号60/552,677和2005年2月22日提交的美国临时申请号60/654,985的权益，其全部内容在此引入作为参考。

技术背景

[0001]本公开涉及结构可变换的工具，用于由材料如金属、陶瓷和/或有机聚合物的结构制造。更具体地说，本公开涉及适用于廉价制造塑模、芯轴等的材料组合物。可以预期，这些塑模和/或芯轴能用于最一般的非金属、塑料或复合结构的制造。

[0002]在所谓的用于汽车、飞行器和航天工业的复合材料的制造中，工具和装配成本是主要的驱动力。制造复合材料的常规工具一般具有固定的几何结构和非常昂贵的制造成本。另外，此类固定的几何结构工具显示短的寿命，并且表现不适当的收缩特性。

[0003]铝被用作至多100份的低容量生产的工具材料，而钢被用作容量超过约100件的工具材料。一般使用石膏，随后用木材、模塑板和铝来产生原始塑模。在航天工业上在某种程度上一直使用不胀钢(铁镍合金)，因为它与石墨/环氧树脂材料具有良好的热膨胀系数的匹配。然而，该工具材料昂贵并且加工需要大的前置时间。结果，一直在努力开发计算机辅助的设计软件来减少工具设计需要的时间，从而缩短整个原型或产品的制造周期。

[0004]上述有关工具加工的问题一般在需要利用芯轴等的组件(空心或具有空腔)制造中是尖锐的。一般使用的芯轴类型包括：尼龙包装的聚苯乙烯泡沫芯；固体金属芯轴；软的可膨胀的球囊；空心硅氧烷芯轴；热塑性的芯轴；机加工的泡沫随材；和水溶性物质如低共熔盐。在此类体系的使用中，脱模和材料成本是重要问题。因此，大多数芯轴是由固体碎片材料如铝机加工而成或将其浇铸成固定形状，并且不容易结构可变换的。

[0005]因此，包括可结构可变换的的并且容易地和便宜地制造的模口嵌入件和芯轴的相对低成本工具加工的可用性，将对飞行器、航天和汽车工业在复杂结构的制造中有价值。

概述

[006]本发明公开一种用于塑模的结构可变换的工具，包括含有活性材料的活性元件，其中在活化时，活性元件处于操作状态，以容许从塑模或模塑的部件的开口***或除去结构可变换的工具。

[0007]本发明还公开了在模塑操作过程中使用结构可变换的工具的方法，包括将熔融的聚合物树脂、金属陶瓷或包括熔融的聚合物树脂金属或陶瓷的组合倾倒在包括结构可变换的工具的塑模中，其中该结构可变换的工具包括活性元件，该元素在施加外界刺激时可以被活化；和活化该活性元件。

[0008]本发明还公开一种方法，包括将空心结构可变换的工具***到第一塑模中，该工具包括活性元件并具有第一形状和/或第一套尺寸；活化该活性元件；使该结构可变换的工具膨胀；将结构可变换的工具中的活性元件减活以锁定第二形状和/或第二套尺寸而形成新的结构可变换的工具；将该新的结构可变换的工具减压；从第一塑模中除去该新的结构可变换的工具。

附图说明

[0009]该图是包含芯12和涂层14的结构可变换的工具10的举例说明。

优选实施方式的详细描述

[0010]本发明致力于通过描述一类组合物而制造高成本的复合结构，该组合物可以被容易和廉价地制造成当必须改变时容易结构可变换的加工工具。该工具被称为“结构可变换的工具”。该组合物、其制造方法和由它们形成的加工工具全部在此描述。一个实施方案中，整个结构可变换的工具包含可以完全由活性材料制造的活性元件。由活性材料制得的结构可变换的工具的合适实例是塑模、模口或塑模***件、芯轴、球囊等，或者包含至少一种前述工具的组合。该工具可用于模塑操作等。

[0011]此处本发明还公开了一种方法，包含将含有至少部分活性材料的结构可变换的工具***塑模以提供各种***件、芯轴和/或球囊；以一种方式将熔融的聚合物树脂、金属、陶瓷或包括熔融的聚合物树脂金属或陶瓷的组合倾倒在塑模中以有效地环绕芯轴，在一些实施方案中，在部件的模塑完成后，活化活性材料以促进从塑模或部件中除去。一个实施方案中，在模塑操作前或过程中将活性材料活化以便改变模塑的部件的尺寸。另一个实施方案中，在不同地模塑操作前、过程中或之后将活性材料活化以便赋予特定特征，如设计、装饰性的或功能性的特征—甚至是非-浅浮雕表面特征，否则将导致模口锁定在模塑的组件内。

[0012]活性材料在结构可变换的工具中的使用有益地减少了制造的高成本，因为在必须改变尺寸或几何图形时此类工具容易是可结构可变换的。该工具可以被用于模塑操作等中。

[0013]在许多模塑操作中，希望制造的部件具有紧密的公差。在此类操作中，在组件被模塑之后，从塑模和/或组件内的具有紧密公差的外壳中除去芯轴经常是所希望的。通常模塑的组件不含有足够大的开口以除去芯轴或模塑组件，并且其内部空腔具有如此不规则的形状以致于芯轴不能被定向以便能够将它从模塑的组件中除去。通过利用至少其部分包括活性材料的芯轴，在用来改变粒度、形状或硬度的模塑操作之后可以向芯轴施加外界刺激以便于可以容易地从具有紧密的公差的外壳中除去芯轴。例如，在模塑操作中，将包括活性元件的芯轴置于塑模中，该活性元件由形状记忆合金制造。熔体有机聚合物树脂、金属、陶瓷或其组合被倾入该塑模中。在倾注之后，熔体冷却至凝固温度以下。然后将芯轴加热到奥氏体转变温度以上，促进芯轴直径的减少。现在芯轴可以容易地从具有紧密的公差的外壳中除去。

[0014]结构可变换的工具一般是指结构可变换的塑模***件，例如，包括至少部分活性材料用于模塑空心体/含有空腔的主体的芯轴和球囊。在一个实施方案中，结构可变换的工具可以被用于其中空腔是不规则形状的和/或具有比从中取出芯轴的开口更大尺寸的塑模。在另一个实施方案中，结构可变换的工具被用于其中模塑的产品具有足够不规则的形状，如那些非-浅浮雕表面特征(例如具有底切的表面特征)，否则不使用结构可变换的工具将导致内模口锁定。

[0015]此处使用的术语“结构可变换的”是指通过用于制造该加工工具的活性材料的活化而产生的加工工具在尺寸、形状和/或硬度方面的可逆变化。当由外界刺激活化时，这种可逆变化是指尺寸、形状和/或硬度方面的变化，这些变化可以发生于模塑操作过程之前、期间或之后。

[0016]现有几类不同类别的结构可变换的工具的应用。在一个实施方案中，结构可变换的工具可以通过在模塑物件之前活性材料的活化而可逆地成型，以便于可以使用相同的塑模和***件(例如不通几何结构、尺寸、表面特征和/或壁厚)来模塑组件。在另一个实施方案中，可以通过在组件的模塑完成之后活化活性材料而改变结构可变换的工具，以便于容许从塑模和/或模塑物件中除去结构可变换的工具。

[0017]因此，在一个实施方案中，结构可变换的工具是一种包括活性元件的工具，该活性元件包括形状记忆合金，其中在活化时所述的结构可变换的工具可以从第一形状变化到第二形状。该第一形状可以具有至少一个不同于所述第二形状的尺寸的尺寸。在一个实施方案中，处于第一形状时的该尺寸可以比处于第二形状时的该尺寸更大。在另一个实施方案中，处于第二形状时的该尺寸可以比处于第一形状时的该尺寸更大。

[0018]在另一个实施方案中，结构可变换的工具是一种包括活性元件的工具，该活性元件包括形状记忆合金，其中在活化时所述的结构可变换的工具发生从第一弹性模量到第二弹性模量的硬度方面的改变。硬度方面的改变伴随有形状方面的改变。在一个实施方案中，所述的第一弹性模量可以大于所述的第二弹性模量，而在另一个实施方案中，所述的第二弹性模量可以大于所述的第一弹性模量。

[0019]因此，用于塑模中的包括活性元件的结构可变换的工具包括活性材料，其中当活化时活性元件可以发生从第一形状到第二形状的可逆变化，从第一套尺寸到第二套尺寸的可逆变化，和/或从第一弹性模量到第二弹性模量的可逆变化。形状、尺寸和/或弹性模量方面的改变容许结构可变换的工具从塑模和/或模塑的部件的开口***和/或除去，在活化之前不能从该开口***和/或除去所述的结构可变换的工具。

[0020]另外，结构可变换的工具可以有益地用于具有不规则形状的物体例如具有非浅浮雕表面特征(例如具有底切的表面特征)的物体的模塑，否则将导致在模塑操作过程中模口锁定。此外，在组件的模塑之前、过程中和/或之后结构可变换的工具的尺寸和/或形状的可逆结构可变换性使得可使用相同的结构可变换的工具模塑具有不同几何结构、表面特征和壁厚的物体。例如，用于第一模塑操作的结构可变换的工具可以被结构变换为具有不同形状的用于第二模塑操作的塑模。

[0021]在一个实施方案中，用于结构可变换的工具的活性元件的活性材料是形状记忆材料。形状记忆材料一般是指能够记得其原来的形状、通过施加外界刺激，即活化信号可以随后恢复记忆的材料或组合物。例如，形状记忆材料从原来的形状变形可以为临时条件，该条件可以被用来改变活性元件的形状和/或硬度。适用于本公开的示范性形状记忆材料包括单向(最成熟的形式)形状记忆合金、铁磁性形状记忆合金、形状记忆聚合物和上述形状记忆材料和非形状记忆材料的复合材料和包括至少一种上述形状记忆材料的组合。在另一个实施方案中，用于结构可变换的工具的活性材料种类是那些形状改变与外加场强度成比例但是该场中断时恢复其原来形状的材料。

[0022]在该类别中的示范性的活性材料是双向形状记忆合金、电活性聚合物(介电聚合物)、压电介质、磁致流变聚合物或包括至少一种上述活性材料的组合。活性材料一般使用外界刺激如电、磁、热能、辐射、化学能等以发生形状和/或硬度方面的改变。在形状或硬度方面的改变导致经由适合连接方式传输到制品的力的增加，促进结构可变换的工具的定位或成形。

[0023]在还有另一个实施方案中，用于结构可变换的工具的活性材料类别是那些可逆地与施加场的强度成比例地改变它们的剪切强度，但是当除去该场时可以恢复它们最初的起始剪切强度。在该类别中，示范性的活性材料是磁致流变流体(MR)和电致流变流体(ER)。

[0024]形状记忆合金(SMA′s)一般是指一组金属材料，当该材料经受合适的热刺激时表现出能够恢复一些先前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能够发生相变，其中它们的挠曲模量、屈服强度和形状定向作为温度的函数而改变。一般地，在低温下或马氏体(martensite)相下，形状记忆合金可以塑性地变形，并且当暴露于一些较高的温度时将转变为奥氏体(austenite)相或母相，恢复它们形变前的形状。仅当加热时显示出形状记忆效应的材料被称为具有单向形状记忆。当再冷却后也显示出形状记忆的材料被称为具有双向形状记忆行为。

[0025]依赖于合金的组成和加工历程，形状记忆合金可以显示出单向形状记忆效应、内在的双向效应，或外赋的双向形状记忆效应。退火的形状记忆合金典型地仅显示出单向形状记忆效应。在形状记忆材料的低温形变之后充分的加热将诱导从马氏体到奥氏体型的转变，并且材料将恢复最初的退火的形状。因此，单向形状记忆效应仅在加热时被观察到。

[0026]内在的和外赋的双向形状记忆合金材料的特征在于当加热时从马氏体相到奥氏体相的形状转变以及当冷却时从奥氏体相变回到马氏体相的形状转变。显示出内在的单向形状记忆效应的活性元件由形状记忆合金组合物制造，这将引起连接子(connector)元素本身因上述提到的相变而自动改良。必须通过加工在形状记忆材料中诱导内在的双向形状记忆行为。这样的方法包括同时处在马氏体相中的材料的极端变形、在受约或荷载下加热-冷却或表面改性如激光退火、抛光或喷丸处理。一旦材料已经被训练而显示出双向形状记忆效应，在低温和高温状态之间通过大量热循环的形状变化一般是可逆的和持续的。相比之下，显示出外赋的双向形状记忆效应的活性连接子元素是复合材料或多组分材料，它们与另一种提供回复力的元素组合为形状记忆合金组合物，该回复力恢复了第一种板的另一个位置或恢复到其原始位置。

[0027]在加热时形状记忆合金记得其高温形态的温度可以通过改变合金的组成和通过热处理而得以调节。例如，在镍-钛形状记忆合金中，温度可以从高于约100℃到低于约-100℃之间变化。形状恢复工艺只在几度范围内发生，转变的起始或完成可以被控制在一度或两度的范围内，这依赖于想要的应用和合金组成。

[0028]用于制造活性元件的合适的形状记忆合金材料包括基于镍-钛的合金、基于铟-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铜的合金(例如铜-锌合金、铜铝合金、铜-金和铜-锡合金)、基于金-镉的合金、基于银-镉的合金、基于铟-镉的合金、基于锰-铜的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-钯的合金等，或包括至少一种上述形状记忆合金的组合。所述的合金可以是二元、三元或任何更多元合金，只要合金组成显示出形状记忆效应，例如在形状定向方面的改变、在屈服强度和/或挠曲模量特性、阻尼能力等方面的改变。

[0029]用于活性元件的形状记忆合金可以具有任何几何结构形状，其形状和/或硬度方面的改变可以被用来促进工具的结构变换。形状和/或硬度方面的这种改变是由活化信号所带来的。示范性的活化信号是热活化信号。热活化信号可以以多种方式被施加到到形状记忆合金上。一般希望热活化信号促进形状记忆合金温度的改变，使得温度大于或等于其奥氏体转变温度。能够促进温度改变的这种热活化信号的合适实例是利用蒸气、热油、电阻电加热等，或包括至少一种上述信号的组合。优选的热活化信号是一种来源于电阻电加热的热活化信号。

[0030]形状记忆聚合物(SMP)也可以被用于结构可变换的工具中。SMP泛指一组聚合物材料，该材料在经受合适的热刺激、同时在极少至没有外赋的载荷条件下表现出能够恢复到一些预先限定的形状。依赖于它们的组成，当经受其较低温度链段的玻璃化转变温度以上的温度时，形状记忆聚合物也显示约30～约100倍的巨大的模量降低。形状记忆聚合物能够发生相变，其中它们的形状定向作为温度的函数而改变。一般地，SMP具有两个主要的片断：硬链段和柔性链段。可以通过在高于最高热转变温度的温度下熔融或加工聚合物、随后于热转变温度以下冷却来设定先前限定的或永久的形状。最高热转变温度通常是硬链段的玻璃化转变温度(Tg)或熔点。临时形状可以通过加热材料到高于柔性链段的Tg或转温度而低于硬链段的Tg或熔点的温度而设定的。设定该临时形状，同时在柔性链段的转变温度下加工材料，随后通过冷却固定该形状。通过在同时有很少或没有空载下柔性链段转变温度以上加热该材料可以将材料恢复到永久的形状。

[0031]一般地，SMP是由至少两种不同单元组成的共聚物，该单元可以描述为在共聚物内限定不同的链段，每一链段对材料的挠曲模量特性和热转变温度有不同的贡献。术语“链段”是指相同或类似单体或低聚物单元的嵌段、接枝或序列，即它们与不同链段的共聚合而形成这些链段的连续交联-互穿网络。这些链段可以是结晶性或非晶体材料的组合，因此一般可以被分类为硬链段或柔性链段，其中硬链段与柔性链段相比一般具有较高的玻璃化转变温度(Tg)或熔点。然后每一链段对SMP的整个挠曲模量特性和其热转变有贡献。当使用多个链段时，可以观察到多个热转变温度，其中共聚物的热转变温度可以近似为其包括的链段的热转变温度的权重平均。SMP的先前限定的或永久的形状可以通过在高于形状记忆聚合物的最高热转变温度或其熔点的温度下吹塑聚合物，随后在低于热转变温度下冷却而设定。

[0032]在实践中，在本发明的一个实施方案中，被用作活性元件的SMP在至少两种形态取向中的一种之间交替变换，使得当提供合适的热信号时提供相对于另一种定向的尺寸减少，该尺寸减少将有助于从塑模/模塑的组件中的除去。为了设定永久的形状，形状记忆聚合物必须处于其熔点附近或以上或最高转变温度(也称作“最后”转变温度)。活性元件一般在该温度下通过模塑而成形，或采用施加的力成形，随后冷却来设定永久的形状。

[0033]在另一个实施方案中，用作活性元件的SMP被热活化而产生极大的模量降低。然后，高度挠性的SMP***件可以被容易地变形以便促进从模塑的部件或模塑的部件的非浅浮雕特征中除去。备选地，这种热活化可以被与施加力组合使用，以在模塑组件之前可逆地改造容许基于SMP的工具。

[0034]用来设定永久性形状的温度一般在40℃～300℃。可以通过改性结构和聚合物的组成来选择SMP的Tg用于特定的应用。适合的SMP的转变温度一般在约-63℃到约160℃以上的范围内。对聚合物本身的组成和结构的工程化可以允许针对想要的应用选择特定的温度。用于形状恢复的最适温度是大于或等于约-30℃，更优选大于或等于约20℃，和最优选温度大于或等于约70℃。还有，用于形状恢复的优选温度小于或等于约250℃，更优选小于或等于约200℃，最优选小于或等于约180℃。

[0035]适合的形状记忆聚合物可以是热塑性塑料、互穿网络、半互穿网络或混合网络。聚合物可以是单种聚合物或聚合物的共混物。聚合物可以是线性的或具有侧链或树枝状结构单元的支化的热塑性弹性体。用来形成形状记忆聚合物的合适的聚合物组分包括，但不限于，聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酸酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基、聚丙烯酰胺、聚(亚烷基)二醇、聚氧化烯、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯基酯、聚卤乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的实例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸基酯)、聚(甲基丙烯酸月桂基酯)、聚(甲基丙烯酸苯基酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙基酯)、聚(丙烯酸异丁酯)和聚(丙烯酸十八烷基酯)。其它合适的聚合物实例包括聚苯乙烯、聚丙二醇、聚乙烯基苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己酸内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面体寡聚silsequioxane)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等，或包括至少一种上述聚合物的组合。

[0036]就象形状记忆合金一样，当形状记忆聚合物用作结构可变换的工具中的活性元件时，可以利用如上列举的各种几何结构形状。另外，可以使用各种活化信号。优选的活化信号是由加热提供的热活化信号，示范性的手段是导电性的、对流的、辐射的和电阻的或其组合。

[0037]如上所述的结构可变换的工具中的活性元件可以是磁致流变流体。术语磁致流变流体包含磁致流变流体、磁致流变弹性体、铁磁流体、胶态磁流体等。磁致流变(MR)流体和弹性体是公知的“活性”材料，其流变性质可以快速地在施加磁场时改变。MR流体是油中或其它液体中的微米-尺寸的磁性可极化颗粒的悬浮液。当MR流体暴露于磁场时，通常无规取向的颗粒沿着磁场线方向形成颗粒的链。该颗粒链提高了流体的表观粘度(流阻)。结构的硬度是通过变化施加磁场的强度、改变MR流体的剪切和压缩/张力模量而完成的。当暴露于磁场下只不过几毫秒时，MR流体典型地发展结构。中断MR流体对磁场的暴露使该过程逆向并且流体恢复到较低粘度的状态。

[0038]合适的磁致流变流体包括分散在载体液体中的铁磁性或顺磁性颗粒。适合的颗粒包括铁；铁合金，例如包括铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨，锰和/或铜的铁合金；铁氧化物，包括Fe₂O₃和Fe₃O₄；氮化铁；碳化铁；羰基铁；镍和镍的合金；钴和钴的合金；二氧化铬；不锈钢等；或至少一种包括上述颗粒的组合。合适的铁颗粒的实例包括纯铁粉、还原的铁粉、氧化铁粉/纯铁粉的混合物和氧化铁粉/还原铁粉的混合物。优选的磁响应颗粒是羰基铁，优选还原的羰基铁。

[0039]选择颗粒尺寸以便于颗粒经受磁场时显示出多区域特性。颗粒的直径尺寸可以为至少或等于约1,000微米，优选至少或等于约500微米，更优选至少或等于100微米。还优选颗粒直径大于或等于约0.1微米，更优选大于或等于约0.5微米，尤其最优选大于或等于10微米。优选颗粒的存在量为总组合物体积的约5.0％～约20％。

[0040]合适的载体液体包括有机液体，尤其是非极性的有机液体。其实例包括，但不限于，硅氧烷油；矿物油；链烷烃油；硅氧烷共聚物；白油；液压油；变压器油；卤化的有机液体，如氯代烃、卤代烷烃、全氟代聚醚和氟代烃；二酯类；聚氧化烯；氟化硅氧烷；氰基烷基硅氧烷；二醇；合成烃油，包括不饱和的与饱和的；以及包括至少一种上述流体的组合。

[0041]载体组分的粘度可以为小于或等于约100,000厘泊，优选小于或等于约10,000厘泊，更优选小于或等于约1,000厘泊。还优选粘度大于或等于约1厘泊，优选大于或等于约250厘泊，尤其优选大于或等于约500厘泊。

[0042]也可以使用含水的载体液体，尤其是那些包括亲水的矿物粘土如膨润土和锂蒙脱石。含水的载体液体可以包含水，或包括少量极性的与水混溶的有机溶剂的水，有机溶剂例如是甲醇、乙醇、丙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、碳酸亚乙基酯、碳酸亚丙基酯、丙酮、四氢呋喃、***、乙二醇、丙二醇等。极性有机溶剂的量小于或等于总MR流体的约5.0％(按体积)，和优选小于或等于约3.0％。同时，极性有机溶剂的量优选是大于或等于总MR流体的约0.1％，和更优选大于或等于约1.0％(按体积)。含水载体液体的pH优选小于或等于约13，和优选小于或等于约9.0。同时，含水载体液体的pH大于或等于约5.0，和优选大于或等于约8.0。

[0043]可以使用天然的或合成的膨润土或锂蒙脱石。膨润土或锂蒙脱石在MR流体中的量小于或等于总MR流体的约10wt％，优选小于或等于约8.0wt％，和更优选小于或等于约6.0wt％。优选，膨润土或锂蒙脱石以大于或等于总MR流体的约0.1wt％、更优选大于或等于约1.0wt％和尤其优选大于或等于约2.0wt％的量存在。

[0044]在MR流体中的任选的组分包括粘土、有机粘土、羧酸盐皂、分散剂、腐蚀抑制剂、润滑剂、极限压力抗磨添加剂、抗氧化剂、触变剂和常规的悬浮剂。羧酸盐皂包括油酸铁、环烷酸铁、硬脂酸铁、二-和三-硬脂酸铝、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸锌和硬脂酸钠，和表面活性剂如磺酸酯、磷酸酯、硬脂酸、甘油单油酸酯、山梨聚糖倍半油酸酯、月桂酸、脂肪酸、脂肪醇、氟代脂肪族聚合物酯以及钛酸酯、铝酸酯和锆酸酯偶联剂等。还可以包括聚亚烷基二醇，如聚乙二醇，和部分酯化的多元醇。

[0045]适合的MR弹性体材料包括弹性聚合物基质，该基质包括铁磁的或顺磁的颗粒悬浮液，其中颗粒是如上所述的颗粒。适合的聚合物基质包括聚α-烯烃、聚α-烯烃和天然橡胶的共聚物。在一些情形下，可以被描述为MR弹性体的配方也可以落在MR流体的定义之下，反之亦然。MR弹性体具有弹性模量，其可逆地依赖于所施加的磁场的强度。

[0046]结构可变换的工具可以被构造成用来将活化信号传递到活性元件，其中活化信号包括磁信号。磁信号是磁场。磁场可以由永久磁铁、电磁体、或包括上述至少一种的组合产生。用于由MR流体或弹性体组成的活性元件的磁通量密度在大于约0到约1特斯拉的范围内。用于活性元件工具的磁性材料的合适的磁通量密度为约0到约1特斯拉。

[0047]如上所述，活性元件可以是电致流变流体。电致流变流体最通常是精细颗粒在非导电流体中的胶悬体。在所施加的电场下，电致流变液体形成纤维结构，该结构平行于所施加的电场并可以使粘度增大至多10⁵倍。粘度的改变一般与外加的电势成比例。ER流体是通过将颗粒悬浮在液体中而制得的，该液体的介电常数或导电性不匹配以便在交流电(ac)或直流电场(dc)存在下相互作用产生偶极粒子。

[0048]活性元件也可以是电活性的聚合物(EAP)。

[0049]基于这些材料的装置的设计特点是利用了柔性的电极，这种电极能够使聚合物膜沿平面方向响应施加的极化电场或机械应力而膨胀或收缩。当EAP被用作活性元件时，可以响应于外加电压而发展出大于或等于约100％的应变、大于或等于约50千克/平方厘米(kg/cm²)的压力。这些材料的良好的电机械响应以及其它特性如良好的环境耐受性和长期的耐久性，使得它们适合于各种制造条件下的活性元件。EAP适合于在许多结构可变换的工具构型中用作活性元件，该构型包括叠层、辊、管、单压电晶片、双压电晶片、隔膜和尺蠖状器件。

[0050]可以基于一种或多种材料性质例如高击穿电压强度、低弹性模量(用于大或小的形变)、高介电常数等来选择用于结构可变换的工具的EAP。在一个实施方案中，选择聚合物使得聚合物具有至多约100MPa的弹性模量。在另一个实施方案中，选择聚合物使得它的最大作用压力在约0.05MPa～约10MPa之间，和优选在约0.3MPa～约3MPa之间。在另一个实施方案中，选择聚合物使得它的介电常数在约2和约20之间，和优选在约2.5和约12间。本公开没有意图限制这些范围。理想地，相比上述给定范围，具有较高介电常数的材料将是所希望的，如果该材料兼备高介电常数和高介电强度的话。在许多情况下，电活化聚合物可以作为薄膜被制造和实施。适合于这些薄膜的厚度可以低于50微米。

[0051]EAP可以在高应变下偏转，附着于该聚合物的电极也应当在不使机械或电性能受损的情况下偏转。一般地，适用的电极可以具有任何形状和材料，条件是它们能够为EAP供应适合的电压。电压可以是恒定的或随时间而变化的。在一个实施方案中，电极粘附到聚合物的表面。粘附到聚合物的电极优选是柔性的并且符合改变中的聚合物的形状。相应地，本公开可以包括那些符合粘附电极的电活性聚合物的形状的柔性电极。该电极可以仅仅被应用到电活性聚合物的一部分，并根据他们的几何结构限定有效面积。各种类型的适用于本公开的电极包括结构化电极，其包括金属迹线和电荷分布层，纹理化的电极，其包括不同的平面外的尺寸、导电性润脂油如碳润脂油或银润脂油、胶悬体、高纵横比的导电性材料如碳细纤维和碳纳米管以及离子导电性材料的混合物。

[0052]用于电极的材料可以变化。适合在电极中使用的材料可以包括石墨、炭黑、胶悬体、包括银和金的薄金属、银填充和碳填充的凝胶和聚合物以及离子或电子导电性聚合物。可以理解，某些电极材料可能适用于特定的聚合物，而对其它可能不适用。例如，碳细纤维与适用于丙烯酸系弹性体聚合物，但是不适用于硅酮聚合物。

[0053]此处所用的EAP一般是共轭聚合物。EAP的合适的实例是聚(苯胺)、取代的聚(苯胺)、聚咔唑、取代的聚咔唑、聚吲哚、聚(吡咯)、取代的聚(吡咯)、聚(噻吩)、取代的聚(噻吩)、聚(乙炔)、聚(亚乙基二氧基噻吩)、聚(亚乙基二氧基吡咯)、聚(对-亚苯基亚乙烯基)等，或包括至少一种上述EAP的组合。也可以使用上述EAP的共混物或共聚物或复合材料。类似地，EAP与EAP前体的共混物或共聚物或复合材料也可以被使用。

[0054]用于结构可变换的工具的活性元件也可以包括压电材料。同时，在某些实施方案中，压电材料可以被构造以提供快速的结构可变换的。在这里使用的术语“压电介质”用来描述一种材料，当施加电压时，该材料机械变形(改变形状)，或反过来，当机械变形时产生电荷。优选地，压电材料被布置在柔性金属板的条带上。该带条可以是单压电晶片或双压电晶片。优选地，该带条是双压电晶片，因为双压电晶片一般显示出相比单压电晶片更多的位移。

[0055]与单压电晶片压电装置相反，双压电晶片器件包括夹在两个压电元件之间的中间软金属箔。双压电晶片显示出相比单压电晶片更多的位移，因为在外加电压下，一种陶瓷元素将收缩同时另一种膨胀。双压电晶片可以显示出至多约20％的应变％，但是相似的单压电晶片，相对于结构的总尺寸一般不能维持高荷载。

[0056]适合的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有机材料，在分子内的主链或侧链上或全部链上具有非-中心对称的结构和大偶极矩基团的所有聚合物材料，可以作为用于压电膜的候选物被使用。合适的聚合物实例包括，例如，但是不局限于，聚(4-苯乙烯磺酸钠)(“PSS”)、聚S-119(聚(乙烯基胺)骨架偶氮发色团)和它们的衍生物；聚氟代烃，包括聚偏二氟乙烯(“PVDF”)、其共聚物偏二氟乙烯(“VDF”)、三氟乙烯(TrFE)和它们的衍生物；聚氯代烃，包括聚(氯乙烯)(“PVC”)、聚偏二氯乙烯(“PVC2”)和它们的衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)和它们的衍生物；聚羧酸，包括聚甲基丙烯酸(“PMA”)和它们的衍生物；聚脲和它们的衍生物；聚氨酯(“PUE”)和它们的衍生物；生物聚合物分子例如聚L-乳酸和它们的衍生物；膜蛋白质以及磷酸酯生物分子；聚苯胺和它们的衍生物以及所有的四胺的衍生物；聚酰亚胺，包括分子和聚醚酰胺(“PET”)和它们的衍生物；所有的膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)均聚物和它们的衍生物以及无规的PVP-共聚-醋酸乙烯基酯(“PVAc”)共聚物；以及所有在主链或侧链或主链和侧链上均有偶极矩基团的芳香聚合物，或其混合物。

[0057]此外，压电材料可以包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu和金属的合金及其混合物。例如，这些压电材料还可以包括金属氧化物，例如SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、SrTiO₃、PbTiO₃、BaTiO₃、FeO₃、Fe₃O₄、ZnO及其混合物；VIA和IIB族化合物，例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe₂、ZnSe、GaP、InP、ZnS及其混合物。

[0058]如上所述，前述的活性材料可以用于结构可变换的工具的活性元件。在一个实施方案中，活性元件可以作为涂层(皮肤)被布置在芯上而形成结构可变换的工具。在另一个实施方案中，结构可变换的工具包括固体芯，该芯包括活性元件。可以给固体芯涂覆其它赋予不粘连性质的材料，或给予模塑的部件某种其它的设计特征。在又一实施方案中，可以在模塑操作之前、过程中或之后将活性材料暂时地注入空心壳，例如球囊中。该活性材料可以在模塑操作之前、过程中和/或之后被活化。

[0059]现在参考附图，结构可变换的工具10可以是包括芯12和外层可膨胀皮肤14的芯轴。外层可膨胀皮肤14可以是涂层。该芯轴可以被用于模塑操作中。外层可膨胀皮肤14是活性元件并且包括形状记忆合金。芯12可以是固体或空心的，并可以用金属、陶瓷或聚合物制造，也就是说用棒料、管料、梁料等形式。在模塑操作(未显示)过程中，外层可膨胀皮肤12在预成形和模塑操作过程中处于膨胀的构型(第一形状)中，而在将芯轴从成品除去的过程中处于收缩构型(第二形状)中。

[0060]在一个实施方案中，当外层可膨胀皮肤14包括形状记忆合金时，该合金处于膨胀构型状态时处于高温奥氏体状态。因此，膨胀的构型是用于外赋的可膨胀皮肤14的形状记忆合金的记忆的形状。在模塑操作完成后，降低结构可变换的工具10的温度以便可膨胀皮肤14恢复到其较低的温度、较低模量的马氏体状态。在一个实施方案中，可以通过在环境条件下同时冷却模塑的组件和该模塑工具来降低结构可变换的工具10的温度。在另一个实施方案中，可以通过直接向结构可变换的工具10供应一道冷却液流(即水、空气、液氮等)，将结构可变换的工具10与模塑的组件和其它模塑工具(即塑模)分开冷却。在芯轴的冷却过程中，芯10可以作为偏置弹簧而发挥作用使外赋的可膨胀皮肤变形到其收缩的构型，这样容许从成品除去该芯轴。

[0061]在另一个实施方案中，收缩的构型(第一形状)是处于外赋的可膨胀皮肤14中的形状记忆合金的高温记忆状态。因此，将芯轴机械变形到用于模塑操作的膨胀的构型(第二形状)，但是一旦模塑操作完成了，可以加热芯轴以便使它恢复到其记忆的收缩构型。然后，从模塑的组件中除去。

[0062]如上所述，使用包括形状记忆合金的结构可变换的工具，通过维持形状记忆合金在奥氏体状态容许该工具在模塑操作中具有更大的硬度。这有利地提供了具有更紧密的公差的模塑部件。模塑操作之后，将形状记忆合金转变为其较低温度、较低模量的马氏体状态，导致可以容易地从塑模中除去的较软的芯轴。

[0063]在一个有利的实施方案中，包括形状记忆合金的结构可变换的工具仅在熔体树脂被注入或倾入塑模或在塑模和芯轴之间***加热的热塑性材料片材之后可以达到其记忆的形状。可以这样做以便为模塑的组件赋予特定的特征。还可以在将片材和树脂材料放置/倒入塑模之后将热塑性片和/或注入的树脂类材料加压。

[0064]在另一个实施方案中，结构可变换的工具是具有活性元件形状记忆聚合物的芯轴。在模塑操作过程中芯轴一般是硬的(即具有大于或等于约10⁵千兆帕斯卡(GPa)的模量)，并且当模塑操作完成后在从模塑的组件中除去过程中是挠性的(即具有模量的小于或等于约10⁵千兆帕斯卡(GPa))。芯轴可以是固体或空心的并可以具有一个具有任何想要几何结构的横截面积。在一个实施方案中，芯轴可以具有不均匀的横截面积，并且该横截面积可以包含几何结构的变化。例如，芯轴可以包含第一横截面和第二横截面，其中第一横载面连接到第二横截面并且其中第一横截面是正方形的并具有200平方厘米的横截面积，而第二横截面是圆形的并具有100平方厘米的横截面积。

[0065]在一个实施方案中，在模塑和冷却操作过程中，包括形状记忆聚合物的芯轴将会是硬的。在模塑的组件获得想要的硬度之后，可以加热芯轴由此损失硬度，这允许该芯轴容易地从模塑的组件中除去。

[0066]在另一个实施方案中，包括活性材料的结构可变换的工具能够在模塑操作中被用作为“球囊”的替换物。如上所述，这些结构可变换的工具可以被有利地使用，其中将要被模塑的部件中的开口比在该同一部件中包含的空腔小。在此情况下，在模塑操作之前，结构可变换的工具以其收缩的构型被引入塑模中。然后，在将塑模关闭而产生想要的空腔之后，将该结构可变换的工具活化到它的膨胀状态。在模塑操作完成之后，再次将结构可变换的工具还原为它的收缩构型，并从模塑的组件中除去。以这样的方式使用结构可变换的工具容许在模塑的组件中发展紧密的公差。也容许在模塑的组件中有与使用传统的球囊模塑的组件相比更好的厚度控制和表面光洁度。

[0067]在另一个实施方案中，在模塑操作之前可以将包括形状记忆合金的金属条附加到传统的球囊上。当球囊被加热时，通过利用此类金属条可以促进想要形状的发展。在模塑操作期间，将金属条带加热到它们的转变温度以上，金属条通过将球囊扭曲到想要的形状而发挥作用。当球囊被冷却时，金属条的硬度降低。不含形状记忆合金的球囊部分一般被设计用作偏置弹簧，从而将球囊恢复至其原来的形状，这样也使金属条变形至它们的原来的形状。

[0068]在一个实施方案中，结构可变换的工具可以由SMP制成以便于结构可变换的工具的记忆形状是将要模塑的部件的想要的形状。在这种情况下，模塑过程从处于其想要的形状和SMP转变温度以下的结构可变换的工具开始。该部件被倾注和模塑。在该部件固化之后，然后将结构可变换的工具加热至SMP低温组件的玻璃化转变温度(Tg)以上，因此显著地提高结构可变换的工具的挠性，并容许将它从该塑模组件中取出。

[0069]当加热至SMP低温组件的玻璃化转变温度(Tg)以上时，结构可变换的工具的增加的挠性，容许该工具被有益地设计和制造以便于以各种构型使用。例如，它可以被从不规则形状的内部空腔的空心部分取出，并通过尺寸基本上小于用来产生该工具的空腔横截面尺寸的开口。在从模塑的组件中取出之后，维持结构可变换的工具在SMP低温组件的玻璃化转变温度(Tg)以上的温度是所希望的。这容许结构可变换的工具恢复至其最初想要的形状。一旦处于那个形状，它可以被再冷却用于下一个模塑操作。

[0070]在另一个实施方案中，与形状记忆聚合物的使用相关，空心的结构可变换的工具具有记忆的第一形状，该第一形状具有至少一种比处于第二形状时的相同尺寸更小的尺寸。所述的第二形状是一系列模塑的组件的空腔所希望的形状。为了在用于模塑特定部件的空心的结构可变换的工具中设定想要的形状，将结构可变换的工具***具有这种想要的形状的塑模中。然后，将空心的结构可变换的工具加热至其较低温度链段的玻璃化转变温度以上，这样显著地降低了其模量，然后将其膨胀到其想要的第二形状。处于其第二形状的构型工具被称为新的结构可变换的工具。膨胀可以采用流体如空气、水、氮气、蒸气等完成。在膨胀之后，冷却结构可变换的工具，因此提高了其弹性模量并在想要的第二形状中获得了刚性。然后将结构可变换的工具用于第二个塑模，来产生大量具有相同几何特征的模塑的组件。在模塑操作完成之后，结构可变换的工具的活性元件可以被重新活化而将该工具恢复到其第一形状。

[0071]在另一个实施方案中，包括利用电致流变流体或磁致流变流体，由挠性材料制得的空心结构可变换的工具可以在将熔融的聚合物树脂、金属或陶瓷倾倒到塑模中之前被***该塑模中。此类空心的结构可变换的工具的实例是空心的芯轴或球囊。倾倒之前或过程中，磁致流变或电致流变流体被泵入或倾入该空心结构可变换的工具中。将气泡和气袋从工具中除去。合适的电场和/或磁场可以在发生熔体倾倒之前、过程中或之后立即被施加于该结构可变换的工具。电场和/或磁场对结构可变换的工具的应用容许该工具固化并负载包围它的熔体。随后除去电场和/或磁场，磁致流变和/或电致流变流体的粘度降低，并从结构可变换的工具中除去。然后可以除去该空心的结构可变换的工具。

[0072]在另一个实施方案中，EAP、压电陶瓷和磁致流变弹性体可以被用于结构可变换的工具。EAP、压电陶瓷和磁致流变弹性体都可以通过施加电或磁场而活化。响应于合适刺激的施加，全部三种刺激可以显示出在几何结构和/或尺寸方面的可逆的可测量的改变。这些几何结构和/或尺寸的改变可以类似的方式用于如上所述的形状记忆合金，作为实施可逆的结构可变换的工具的元素。

[0073]在一个实施方案中，用于制造制品的弹性体模具可以含有活性材料。在将熔体倾倒到塑模中之后，可以通过使用外界刺激将活性材料活化，而赋予制品以某种特定的效果，例如凹痕等。外界刺激可以促进包含于弹性体塑模中的活性材料取向的改变，从而赋予特定效果。

[0074]虽然参考示范性实施方案对本发明进行了描述，本领域技术人员可以理解，进行各种改变及其元素的同等替换均不脱离本发明的范围。此外，本发明教导的许多改性可以适用于特殊的情形或材料，而不脱离其主要范围。因此，本发明不局限于特殊的实施方案，实施方案作为最佳方式仅用于解释本发明，本发明包括落入所附的权利要求书范围内的全部实施方案。

Claims (24)

1.一种用于塑模中的结构可变换的工具，包括含有活性材料的活性元件，其中活化时活性元件处于操作状态以容许从所述塑模或模塑的部件的开口***或除去所述的结构可变换的工具。

2.权利要求1所述的结构可变换的工具，其中所述的活性材料是形状记忆合金、电活性聚合物、压电介质、压电陶瓷、铁磁性形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁致伸缩材料、电致流变流体、磁致流变流体、磁致流变弹性体或包括至少一种上述活性材料的组合，其中活性材料的活化受电、磁、热能、辐射、化学能或包括至少一种上述刺激的组合的促进。

3.权利要求1所述的结构可变换的工具，包括塑模、芯轴、球囊、模口或塑模***件，或包括上述至少一种的组合。

4.权利要求1所述的结构可变换的工具，其中活性元件是布置在芯上的涂层。

5.权利要求4所述的结构可变换的工具，其中所述芯是固体，并且其中所述芯包括棒料、梁料或其组合。

6.权利要求4所述的结构可变换的工具，其中所述芯是空心的，并且其中所述芯包括管料。

7.权利要求1所述的结构可变换的工具，其中活性元件被布置在挠性壳内。

8.权利要求7所述的结构可变换的工具，其中挠性壳包括热塑性聚合物树脂、热固性聚合物树脂或其组合。

9.权利要求1所述的结构可变换的工具，其中所述的活化促进由第一形状到第二形状的变化、至少一种尺寸的变化或由第一弹性模量到第二弹性模量的变化。

10.权利要求9所述的结构可变换的工具，其中第一弹性模量大于第二弹性模量。

11.权利要求9所述的结构可变换的工具，其中第二弹性模量大于第一弹性模量。

12.一种在模塑操作中使用结构可变换的工具的方法，包括：将熔融的聚合物树脂、金属、陶瓷或包括熔融的聚合物树脂、金属或陶瓷的组合倾倒在含有结构可变换的工具的塑模中，其中该结构可变换的工具包括活性元件，该元素在施加外界刺激时被活化；和

活化该活性元件。

13.权利要求12所述的方法，其中活化该活性元件被用来赋予所模塑的组件以想要的特征。

14.权利要求12所述的方法，其中活化活性元件被用来促进将结构可变换的工具从塑模中除去。

15.权利要求12所述的方法，其中活性材料是形状记忆合金、电活性聚合物、压电介质、压电陶瓷、铁磁性形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁致伸缩材料、电致流变流体、磁致流变流体、磁致流变弹性体或包括至少一种上述活性材料的组合，其中活性材料的活化受电、磁、热能、辐射、化学能或包括至少一种上述外界刺激的组合的促进。

16.权利要求12所述的方法，其中活性元件的活化发生在将熔融的聚合物树脂、金属、陶瓷或包括熔融的聚合物树脂、金属或陶瓷的组合倾倒在该塑模中之前、过程中或之后。

17.权利要求12所述的方法，其中所述的活化促进了所述结构可变换的工具的硬度改变、形状改变和/或尺寸改变。

18.权利要求12所述的方法，其中所述的活化增加了所述工具的硬度。

19.权利要求12所述的方法，进一步包括将所述的结构可变换的工具减活。

20.权利要求19所述的方法，进一步包括将所述的结构可变换的工具从模塑的部件中除去。

21.权利要求19所述的方法，其中所述的减活减少了结构可变换的工具的硬度。

22.一种方法，包括：

将空心的结构可变换的工具***到第一塑模中，该工具包括活性元件并且具有第一形状和/或第一套尺寸；

活化所述的活性元件；

使所述的结构可变换的工具膨胀；

将所述的结构可变换的工具中的活性元件减活以锁定第二形状和/或第二套尺寸以形成新的结构可变换的工具；

将该新的结构可变换的工具减压；和

从所述的第一塑模中除去该新的结构可变换的工具。

23.权利要求22所述的方法，进一步包括在第二塑模中使用所述新的结构可变换的工具以模塑具有想要形状的物件。

24.权利要求22所述的方法，进一步包括活化所述的活性元件以将所述新的结构可变换的工具恢复到第一形状和/或第一套尺寸。

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