在当今高科技发展的推动下，极端环境下的智能材料需求日益增长，尤其是低温领域的智能作动器备受关注。形状记忆合金（SMA）因其能够通过温度变化实现形状恢复和产生较大机械力，成为低温作动器的一大热门选择。传统SMA如钛镍（Ti-Ni）合金虽然在室温附近表现优异，但在低温尤其是50K以下的极低温度环境中性能受限，难以满足航天、超导和液态气体储存等行业的严苛要求。新型铜铝锰（Cu-Al-Mn）基合金近年凭借其卓越的低温形状记忆效应和机械性能，为破解这一难题带来了新的希望。形状记忆合金是一种通过快速且无扩散的相变从高温的母相（奥氏体）转变为低温的马氏体相，从而实现宏观形状变化的材料。这种以热激励驱动的相变能力使得SMA不仅能够在受力变形后恢复原有形状，还可以通过调节温度完成精确的机械位移。
相比传统的液压、气动和电磁作动器，SMA具备结构紧凑、响应灵敏、能量密度高以及多功能集成的优势。铜基形状记忆合金尤其以其独特的合金成分调节能力和良好的冷加工性能受到材料科学界的重视。Cu-Al-Mn合金系统通过调节铝和锰的含量，能够实现其马氏体相变起始温度（TMs）从室温逐步下降到约50K甚至更低，从而支持在深低温环境下的形状记忆效应。该特性使得Cu-Al-Mn SMA成为理想的低温作动器材料，特别适用于冷却系统、空间望远镜的热控开关及液氢储存装置等领域。低温下的作动器面临着多项挑战，如材料脆性增加、形变恢复效率下降及热力学驱动力不足等。传统的Ti-Ni合金在低于150K的温度环境中面临形状记忆效应减弱甚至消失的瓶颈，主要是由于其马氏体转变的退化和转变过程的应力滞后显著增加。
相比之下，Cu-Al-Mn合金不仅能在50K至270K的宽广温区展现稳定的形变恢复能力，同时保持较低的相变热力学滞后，实现更高效的机械能量输出。通过拉伸等分流冷却加热实验，可以观察到Cu-Al-Mn合金在较低温度下依然保持高达1%的形变恢复率和超过40MJ/m³的能量转换密度，远超多数传统低温作动器材料。材料构成上的设计如适量掺杂Ni元素，进一步提升了Cu-Al-Mn合金的抗脆性和应力加载极限，使其在超高张力下依然能保持良好的塑韧性和作动稳定性。这为其在极端机械负载环境下的可靠应用奠定了坚实基础。Cu-Al-Mn基作动器的一个典型应用是空间红外望远镜的机械热开关。在航天器严苛的低温环境中，有效的热绝缘和可控热通量尤为关键。
传统热开关由于机械结构复杂且在低温下易失效，限制了空间任务的性能和寿命。利用Cu-Al-Mn合金的形状记忆效应，通过温度变化驱动材料的相变引起几何尺寸的变化，推动机械部件实现接触与分离，从而开关热流。实验证明，这类机械热开关在约100K的温度条件下表现出良好的启闭响应和高度的循环稳定性，显著提升了低温热管理的效率和可靠性。更广义看，随着新能源和航天探索需求的增长，液态氢、液态氦等低温储存运输技术的重要性日益凸显。Cu-Al-Mn SMA作动器能够在液氦液氢温区保持高效稳定的能量转换，适用于智能阀门控制和流体调节系统，为清洁能源技术提供关键的动力支撑。此外，Cu-Al-Mn SMA在超导磁体冷却系统中的应用，也有望推动超导技术的实用化和商业化进程。
材料科学的进步离不开精确的实验测量与理论解析。借助差示扫描量热法（DSC）和电阻率测试对Cu-Al-Mn SMA的相变过程进行了深入分析，发现其热力学转变温度呈线性下降趋势，并在高锰含量时趋近于50K的极限值。这种热机械特性与Ti-Ni合金形成鲜明对比，表明Cu-Al-Mn SMA在热力学驱动力上拥有独特优势。通过克劳修斯-克拉佩龙方程的计算，Cu-Al-Mn合金的相变熵变化在低温下依然稳定，说明在极低温度环境中仍能保持有效的形状记忆效应。这一发现对设计高性能低温SMA系统具有指导意义。Cu-Al-Mn SMA不仅表现出优异的低温形状记忆特性，其延展性和耐久性也经过验证。
通过反复的热机械循环测试，材料展现出良好的疲劳抗力和耐裂纹性，适合需要频繁操作的空间和工业设备。此外，通过单晶化工艺优化和合金微观结构调控，进一步增强了其作动性能和稳定性。未来，针对更极端低温环境，如深空探测任务和超低温物理实验，Cu-Al-Mn SMA仍面临材料微观机制解析和性能极限的挑战。结合先进的纳米结构设计、多组分高熵合金思路，以及智能传感控制技术，有望催生下一代超低温SMA作动器。同时，推动该材料的产业化进程，实现高质量的单晶材料批量生产和高效结构集成，将极大促进其在航空航天、能源环保及医疗器械等领域的实际应用。形状记忆合金作为智能材料的发展前景广阔，Cu-Al-Mn基低温SMA的出现无疑为各种低温系统打开了全新的应用空间。
凭借其稳定的形状记忆效应、卓越的能量转换效率和良好的机械性能，Cu-Al-Mn SMA不仅解决了传统低温作动器的瓶颈问题，还为未来探索极端环境下的智能控制提供了坚实基础。随着技术的不断迭代与完善，低温形状记忆合金将在航天探索、液氢经济、超导工程等领域发挥越来越重要的作用，成为实现智能化、轻量化和高效化作动系统的中坚力量。
