Brevet FR2608632A1 — publié le 19880624

La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'une déformation réversible d'au moins une paire de corps solides en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme par application d'un gradient thermique différentiel et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé en vue, notamment, soit de mettre en mouvement un autre corps1 soit d'engendrer des efforts sur un autre corps. Actuellement, les dispositifs mettant en oeuvre des éléments en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme, soit pour générer un mouvement, soit pour engendrer des contraintes, obtiennent ce résultat, soit par l'utilisation simultanée de matériaux pseudo-élastiques et de matériaux élastiques classiques, soit par l'emploi de matériaux à mémoire de forme double. Dans les deux cas, le mouvement ou la contrainte est obtenu par une variation de la température de l'ensemble du dispositif. Cette dernière caractéristique nécessite donc lors de l'utilisation de tels dispositifs, une maîtrise de la température.Aucun procédé ni dispositif actuel ne-permet, par conséquent, la réalisation et le contrôle d'une déformation réversible de corps solides en matériau pseudoélastique ou à mémoire de forme par application d'un gradient thermique différentiel entre les corps eux-mêmes, tout en restant totalement insensible à une variation thermique identique et simultanée des corps, par exemple lors d'une variation thermique du milieu ambiant. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a, en effet, pour objet un procédé de réalisation d'une déformation réversible d'au moins une paire de corps solides, symétriques par rapport à un axe ou à un plan, concentriques ou coaxiaux, en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme, caractérisé en ce qu'il consiste à précontraindre les corps pour favoriser la transformation martensitique dans certaines directions, de telle manière que les précontraintes internes d'un corps soient identiques, mais en opposition, par rapport à celles de l'autre corps d'une paire de corps, puis à provoquer ladite transformation martensitique par un gradient thermique différentiel imposé entre les corps d'au moins une paire de corps, l'échauffement thermique du corps entraînant une diminution de la quantité de martensite et le refroidissement d'un corps entrainant une augmentation de la quantité de martensite, la température du milieu ambiant étant supérieure à la température de début de transformation martensitique Ms Ce procédé sera notamment utilisé pour mettre en mouvement des objets quelconques dans différentes directions afin d'obtenir des déplacements dans le plan ou dans l'espace, à partir de la déformation obtenue de la ou des paires de corps, indépendamment des variations thermiques identiques et simultanées de cette ou de ces paires de corps. Ce procédé pourra aussi avoir d'autres applications, telles que par exemple la mise sous contrainte d'un autre corps. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue de face d'un dispositif à lames selon un premier mode de réalisation de l'invention, à l'état initial la figure 2 est une vue de face du dispositif à lames selon la figure 1, à l'état précontraint la figure 3 est une vue de face du dispositif à lames selon la figure 2, dont une lame est chauffée à une température T la figure 4 est une vue de face du dispositif à lames selon la figure 2, dont une lame est refroidie à une température T la figure 5 est une représentation de la courbe du déplacement angulaire des deux lames du dispositif conforme à l'invention, en fonction de leur écart de température T = T - To;; la figure 6 est une vue de face d'un dispositif à ressorts montés en spirale selon un second mode de réalisation de l'invention, à l'état initial et à l'état précontraint la figure 7 est une vue de gauche du dispositif à ressorts montés en spirale selon la figure 6, à l'état initial la figure 8 est une vue en plan d'un dispositif à quatre ressorts, coaxiaux deux à deux, à l'état précontraint, selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; la figure 9 est une vue en plan du dispositif selon la figure 8, dont un ressort est chauffé à une température T la figure 10 est une vue en perspective d'un dispositif à barres selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, à l'état initial la figure 11 est une vue en perspective du dispositif selon la figure 10, à l'état précontraint, dont une barre est chauffée à une température T la figure 12 est une représentation du déplacement angulaire des deux barres du dispositif conforme à l'invention, en fonction de leur écart de température T = T - To ; la figure 13 est une vue de face d'un dispositif à tubes concentriques à l'état initial, selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; la figure 14 est une vue de gauche du dispositif à tubes concentriques selon la figure 13, à l'état initial la figure 15 est une vue de gauche du dispositif à tubes concentriques selon la figure 14, à l'état précontraint la figure 16 est une vue de gauche du dispositif à tubes concentriques selon la figure 15, dont le tube extérieur est chauffé à une température T, et la figure 17 est une vue de gauche du dispositif à tubes concentriques selon la figure 15, dont le tube extérieur est refroidi à une température T. Conformément à l'invention, le procédé de réalisation d'une déformation réversible consiste à précontraindre les corps 1 pour favoriser la transformation martensitique dans certaines directions, de telle manière que les précontraintes internes d'un corps 1 soient identiques, mais en opposition, par rapport à celles de l'autre, corps 1 d'une paire de corps 1, puis à provoquer ladite transformation martensitique par un gradient thermique différentiel imposé entre les corps 1 d'au moins une paire de corps 1, l'échauffement thermique d'un corps 1 entraînant une diminution de la quantité de martensite et le refroidissement d'un corps 1 entrainant une augmentation de la quantité de martensite, la température du milieu ambiant T A étant supérieure à la température de début de transformation martensitique Ms Pour obtenir une déformation, par exemple de deux corps 1 montés symétriquement par rapport à un axe ou à un plan, en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme, il est donc nécessaire d'appliquer une précontrainte sur chacun des corps 1, ces deux précontraintes étant en opposition l'une par rapport à l'autre et d'intensité égale. Les corps 1 précontraints sont alors en équilibre et leur position parfaitement insensible à toute variation de la température du milieu ambiant, donc à toute variation de température simultanée, de même intensité, appliquée sur chacun des deux corps 1. Bien entendu, les contraintes varient dans chaque corps 1 lors d'une variation simultanée et identique de la température de chaque corps 1, mais les corps 1 restent stables et immobiles. Puis, on applique un gradient thermique T entre les deux corps I, c'est-à-dire que l'un des corps 1 est chauffé ou refroidi par rapport à l'autre, ou que l'un est chauffé et l'autre refroidi. L'ensemble des deux corps 1 se déplace alors. Un corps 1 refroidi se déplacera en s'éloignant de son état initial non précontraint, donc se déformera davantage, alors qu'un corps 1 chauffé se déplacera en direction de son état initial non précontraint. Le procédé conforme à l'invention permet, par conséquent, de commander des déplacements d'au moins une paire de corps 1 en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme montés de façon symétrique et précontraint en opposition, en appliquant sur l'un d'eux une variation de température diffé rentielle h T par tout moyen connu tel qu'une flamme, une résistance électrique, un fluide chauffé caloporteur ou encore un frigistor. Ces déplacements permettent eux-mêmes, comme déjà indiqué précédemment, soit de mettre en mouvement un autre corps, soit, s'ils sont contrés, d'engendrer des contraintes dans un autre corps. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, principalement constitué par au moins un support 3 sur lequel est fixé par l'une de ses extrémités 1', chaque corps 1 d'une paire de corps 1, et par un moyen de liaison 4 permettant de maintenir chaque paire de corps 1 dans un état de précontraintes internes, celles d'un corps 1 étant identiques et en opposition par rapport à celles de l'autre corps 1 dtune paire de corps 1. Selon un premier mode de réalisation, les corps 1 sont sous forme d'une paire de lames identiques montées symétriquement sur le support 3, de part et d'autre du plan de symétrie vertical 5 de l'ensemble qu'elles forment, et maintenues à l'état précontraint en opposition par un fil rigide 4 les rendant solidaires l'une de l'autre. Les deux lames 1 identiques sont découpées à chaud et trempées. Elles sont recourbées chacune d'un angle de 180 à l'état initial, insérées dans le support 3 sous la forme d'un étrier, isolées électriquement du support 3 par un isolant 2 (figure 1). Bien entendu, le moyen de chauffage et/ou de refroidissement 7 pourra être directement inséré entre les deux lames 1 à l'intérieur de l'étrier 3. Les lames 1 sont précontraintes en opposition à l'aide d'un fil rigide 4 disposé à l'extrémité 1" de chaque lame 1 et qui les rend rectilignes, en équilibre (figure 2). Quelle que soit la variation de température extérieure, les deux lames 1 exercent l'une sur l'autre le même effort, d'où une insensibilité à toute variation de la température ambiante. Lorsqu'une variation différentielle de température T entre les deux lames 1 intervient, il se produit dans chaque lame 1 une transformation de phase et elles se déplacent, la lame 1 la plus froide en sens contraire de son état initial et la lame 1 la plus chaude dans le sens de son état initial. A titre d'exemple, la figure 3 représente la position des lames 1 et du fil rigide 4 lorsque la lame 1 de droite est plus chaude que la lame 1 de gauche, et la figure 4 représente la position des lames 1 et du fil rigide 4 lorsque la lame 1 de droite est plus froide que la lame 1 de gauche. Sur la figure 5, on a représenté la courbe du déplacement angulaire OC des lames 1 du dispositif tel que représenté figure 3, en fonction de la variation de tempéra ture L'optimisation du débattement des lames 1 est atteint par une diminution de la distance entre les lames 1, une orientation cristallographique préférentielle des deux lames 1 et, éventuellement, une amélioration de la conduction thermique entre le moyen de chauffage et/ou de refroidissement 7 et les lames 1. Conformément à un second mode de réalisation de l'invention, les corps 1 sont sous forme d'une paire de ressorts parallèles identiques montés en spirale, symétriquement sur le support 3, de part et d'autre du plan de symétrie vertical 5 de l'ensemble qu'ils forment, et maintenus à l'état précontraint en opposition par un axe 4 auquel sont fixés les extrémités 1" des ressorts 1 (figures 6 et 7). Ils sont, en outre, isolés électriquement du support 3. La fonction d'un tel dispositif est de conférer à l'élément de liaison 4, en l'occurrence un axe, un mouvement de rotation, le débattement angulaire pouvant être très important. Les deux ressorts en spirales 1 sont chacun précontraints et en équilibre. Lors de l'alimentation du moyen de chauffage et/ou de refroidissement 7, qui pourra, par exemple, être disposé entre les deux ressorts en spirale 1, l'un d'eux augmentera son couple au dépend de l'autre, entraînant ainsi l'axe 4 dans un mouvement de rotation. L'angle de rotation dépendra, bien entendu, de la variation de température A T appliquée, ainsi que des caractéristiques géométriques d'un ressort 1, comme, par exemple, du nombre de spirales. Cet angle peut naturellement être supérieur à 2 1. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, les corps 1 sont sous forme d'une ou plusieurs paires de ressorts identiques disposés coaxialement par paire, et dans un même plan, leurs extrémités 1" étant reliées à une plaque 4 électriquement conductrice qui les maintient à l'état précontraint en opposition, et leur extrémités 1' étant fixées au support 3. Comme le montre la figure 8, le dispositif pourra comporter avantageusement quatre ressorts 1. Le support 3 pourra être circulaire et la plaque 4 disposée au centre. A l'état initial, tous les ressorts 1 exercent sur le support 3 un effort identique en intensité, mais pour chaque paire, opposé en sens, de telle sorte que la plaque 4 soit en équilibre. Pour déplacer la plaque 4 dans une direction, il suffit donc de chauffer ou de refroidir l'un des quatre ressorts 1 par rapport aux autres (figure 9). Pour revenir à l'état initial, il suffira que les quatre ressorts 1 reviennent à une température identique. Chaque ressort 1 peut être relié par un commutateur 8 à une alimentation électrique 9 à tension variable, de capacité suffisante pour y faire circuler une intensité capable d'augmenter sa température. Le support 3 est composé d'une matière isolante. Le commutateur 8 relie chacun des ressorts 1 à l'alimentation 9 par des conducteurs électriques 10. Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention représenté figure 10, les corps 1 sont sous forme d'une paire de barres identiques, disposées coaxialement, leurs extrémités 1" étant reliées à une plaque isolante 4 qui les maintient à l'état précontraint en opposition, et leurs extrémités 1' étant fixées chacune sur un support 3. La plaque 4 est composée d'une matière isolante. Chaque barre 1 est fixée sur un support 3 indépendant l'un de l'autre après mise sous contrainte préalable, par torsion de chaque barre 1 en sens contraire. La figure 11 représente le dispositif lorsque l'une des deux barres 1 est chauffée à la température T. Sur la figure 12, on a représenté la courbe de déplacement angulaire 0S des deux barres 1 du dispositif, et donc de la plaque isolante 4, en fonction de la variation de température 4 T entre les deux barres 1, en alliage pseudo- élastique CuZnAl monocristallin, pour un diamètre de barre de 1 mm et une longueur de barre de 100 mm. Les résultats obtenus sont, bien entendu, inférieurs à la réalité, vu les conditions de l'expérience et la non-optimalisation du déplacement angulaire Oc. Selon un cinquième mode de réalisation de l'invention représenté figures 13 et 14, les corps 1 sont sous forme de deux tubes concentriques munis chacun à leur extrémité -libre 1" de deux orifices 6 diamétralement opposés, les orifices 6 d'un tube 1 ne se superposant pas avec ceux de l'autre tube 1 à l'état initial, les deux tubes 1 étant maintenus à l'état précontraint en opposition par un axe 4 les traversant de part en part à travers les quatre orifices 6, et étant fixés au support 3 par leur extrémité 1' Les deux tubes concentriques 1 sont isolés thermiquement du support 3. Comme le montre la figure 18, les deux orifices 6 du tube extérieur 1 seront disposés de telle manière qu'ils coincident au moment de la précontrainte avec les deux orifices 6 du tube intérieur 1. La figure 15 représente le dispositif à tubes concentriques à l'état précontraint en opposition, par torsion de chaque tube 1 en sens contraire grâce à l'axe 4 qui traverse les quatre orifices 6 des tubes 1. Les figures 16 et 17 montrent bien que lorsque le tube extérieur 1 est chauffé à une température T supérieure à Tot il se rapproche de sa position initiale (figure 16), alors que lorsqu'il est refroidi à une température T inférieure à Tg, il s'éloigne de sa position initiale (figure 17). Pour tous les dispositifs décrits précédemment, le moyen de chauffage et/ou de refroidissement 7 pourra être directement intégré. I1 pourra également, bien entendu1 être externe au dispositif. D'autre part, les corps 1 en alliage pseudoélastique ou à mémoire de forme seront avantageusement en alliage CuZnAl monocristallin. Mais ils pourront, bien entendu, être en d'autre alliages pseudo-élastiques ou à mémoire de forme, tels que : CuZn, CuZnSn, CuZnNi, CuZnAg, CuZnAu, CuZnCd, CuZnGa, CuZnIn, CuZnGe, CuZnSb, CuZnSi, CuSn, CuAlNi, CuAl, CuZnAlNi, CuAlBe ou NiTi. Ils pourront également, bien entendu, être sous forme polycristalline. Tous ces dispositifs pourront, évidemment, être utilisés pour manipuler des objets quelconques dans différentes directions et ils pourront être combinés afin d'obtenir des déplacements dans le plan ou dans l'espace. Le mouvement des corps 1 en matériau pseudoélastique ou à mémoire de forme ou de l'élément de liaison 4 pourra être transmis à des éléments à manipuler par des moyens spécifiques à chaque application. Par exemple, le dispositif à quatre ressorts pourra avoir comme application la manipulation d'échantillons en microscopie, la plaque 4 jouant alors le rôle du porteéchantillons. Mais ces dispositifs pourront également avoir pour fonction de détecter une variation de température d T entre deux corps ou deux milieux. Par exemple, le dispositif à lames pourra être utilisé pour détecter la variation de température T entre deux liquides ou gaz, et actionner ainsi un signal d'alarme par le déplacement de l'élément de liaison 4, tout en restant insensible à une variation simultanée de température des corps 1. Enfin, ces dispositifs pourront également engendrer des efforts sur un objet quelconque, tel qu'un échantillon maintenu fixe en contact avec l'élément de liaison 4. I1 va de soi qu'un même dispositif décrit pourra être utilisé pour des applications différentes, et que différents dispositifs décrits pourront être combinés dans une même application. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une déformation réversible d'au moins une paire de corps solides (1), symétriques par rapport à un axe ou à un plan, concentriques ou coaxiaux, en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme, caractérisé en ce qu'il consiste à précontraindre les corps (1) pour favoriser la transformation martensitique dans certaines directions, de telle manière que les précontraintes internes d'un corps (1) soient identiques, mais en opposition, par rapport à celles de l'autre corps (1) d'une paire de corps (1), puis à provoquer ladite transformation martensitique par un gradient thermique différentiel imposé entre les corps (1) d'au moins une paire de corps (1), l'échauffement thermique d'un corps (1) entraînant une diminution de la quantité de martensite et le refroidissement d'un corps (1) entraînant une augmentation de la quantité de martensite, la température du milieu ambiant TA étant supérieure à la température de début de transformation martensitique Ms. 2. Dispositif de réalisation d'une déformation réversible d'au moins une paire de corps solides (1) symétriques par rapport à un axe ou à un plan, concentriques ou coaxiaux, en matériau pseudo-élastique ou à mémoire de forme, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par au moins un support (3) sur lequel est fixé, par l'une de ses extrémités (1'), chaque corps (1) d'une paire de corps (1) et par un moyen de liaison (4) permettant de maintenir chaque paire de corps (1) dans un état de précontraintes internes, celles d'un corps (1) étant identiques et en opposition par rapport à celles de l'autre corps (1) d'une paire de corps (1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps (1) sont sous forme d'une paire de lames identiques montées symétriquement sur le support (3), de part et d'autre du plan de symétrie vertical (5) de l'ensemble qu'elles forment, et maintenues à l'état précontraint en opposition par un fil rigide (4) les rendant solidaires l'une de l'autre. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps sont sous forme d'une paire de ressorts parallèles identiques montés en spirale, symétriquement sur le support -(3) de part et d'autre du plan de symétrie vertical (5) de l'ensemble qu'ils forment, et maintenus à l'état précontraint en opposition par un axe (4) auquel sont fixées les extrémités (1") des ressorts (1). 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps (1) sont sous forme d'une ou plusieurs paires de ressorts identiques disposés coaxialement par paire et dans un même plan, leurs extrémités (1") étant reliées à une plaque électriquement conductrice (4) qui les maintient à l'état précontraint en opposition, et leurs extrémités (1') étant fixées au support (3). 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps (1) sont sous forme d'une paire de barres identiques, disposées coaxialement, leurs extrémités (1") étant reliées à une plaque isolante (4) qui les maintient à l'état précontraint en opposition et leurs extrémités (1') étant fixées chacune sur un support (3). 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps (1) sont sous forme de deux tubes concentriques munis chacun à leur extrémité libre (1") de deux orifices (6) diamétralement opposés, les orifices (6) d'un tube (1) ne se superposant pas avec ceux de l'autre tube (1) à l'état initial, les deux tubes (1) étant maintenus à l'état précontraint en opposition par un axe (4) les traversant de part en part à travers les quatre orifices (6), et étant fixés au support (3) par leur extrémité (1'). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen de chauffage et/ou de refroidissement (7). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les corps (1) sont en alliage pseudo-élastique ou à mémoire de forme CuZnAl.