执行器作为机械与电子系统之间实现物理动作的关键部件，其性能直接影响着机器人、航天器及自动化设备的效率与稳定性。传统执行器类型包括电磁式、液压式和气压式，但这些装置在低温环境中的适应性和性能表现有限，难以满足现代低温科学与工业的多样化需求。形状记忆合金（SMA）由于其独特的形状记忆效应和超弹性，因而成为寒冷环境下执行器设计的前沿材料。尤其是近年来以铜铝锰（Cu-Al-Mn）为代表的新型低温形状记忆合金显示出持续稳定的性能，实现了低至50开尔文（K）甚至更低温度范围内的有效驱动特性，成为低温执行器领域的研究热点。形状记忆合金的基本原理基于其可逆的马氏体相变，即高温相的晶格结构在冷却过程中转变为低温相的马氏体，材料形状随之改变，随后通过加热实现恢复。此过程中，合金能够产生强大且可逆的形变应力和位移，赋予执行器高能量密度和响应灵敏的优势。
在众多形状记忆合金体系中，广泛应用的钛镍合金（Ti-Ni）因其优异的性能而受到关注，但其实际应用多局限于约250至370K的温度区间，难以满足航空航天、液氢储存等行业对于更宽温域的需求。钛镍合金在极低温度下表现出应力滞后增大和马氏体相变难以激发的缺陷，严重影响其低温应用的可靠性与能效。相比之下，铜铝锰合金因其可调的组成和独特的晶体结构，展现出超越传统材料的优越性。通过精确调控铝和锰元素含量，Cu-Al-Mn合金实现在50K以上的宽广温度范围内发生稳定的热激励马氏体转变，显示出较小的转变温度滞后和高达107焦耳每立方厘米的工作输出功率。这一显著成果突破了传统认知中形状记忆合金不能在深低温操作的瓶颈，为低温执行器技术赋予了新生命。铜铝锰合金不仅在低温下完成可靠的形状恢复与超弹变形，还具备良好的冷加工成形性和韧性，便于制备各种复杂形状的单晶或多晶部件，适合工业化批量生产。
在实验条件下，Cu-Al-Mn单晶样品通过受控应力的冷却-加热循环，显示出近乎完整的形状记忆效应，且对应的马氏体开始和结束温度可通过合金成分设计灵活调整。此外，该材料还能承受高达数百兆帕的拉伸应力而不发生塑性变形或断裂，极大增强了执行器的可靠性与寿命。独特的热力学性质是铜铝锰合金适用于低温的关键之一。通常形状记忆合金中，父相与马氏体间的熵差随着温度降低而减小，接近绝对零度时趋近于零，从而减弱了材料实现热激发转变的能力。但铜铝锰合金的实验数据显示其熵差在50K至室温间基本保持稳定，允许有效的驱动力在象征性低温域发挥作用，实现了温度范围内的完整形状记忆循环。转变温度滞后也被视为低温形状记忆装置的一大挑战。
高滞后不仅影响响应速度，也增加能量损耗。铜铝锰合金在转变温度滞后方面表现卓越，即使在接近77K液氮温度附近，材料也能维持较低的热转变滞后，提高执行器的精度和重复使用的稳定性。此外，Cu-Al-Mn合金显示出的超弹性行为在低温环境下仍明显，这使其在需要大范围可逆形变的低温机器人关节或精准定位设备中具有广泛的应用前景。在具体应用方面，铜铝锰形状记忆合金被成功运用于航天红外天文望远镜中机械热开关的开发。航天望远镜关键观测仪器需工作于极低温以降低噪声，而稳定可靠的热开关装置能切断或连接热流路径，实现设备温度的精细控调。通过利用Cu-Al-Mn合金受控形变带动机械接触或分离，实现了在近100K温度附近的高效热开关操作，表现出优异的热绝缘切换性能。
该装置可减少冗余机械制冷系统数量，降低系统体积、质量和能耗，为未来深空探测设备的低温系统设计提供了新范式。此外，Cu-Al-Mn材料的高温度和循环稳定性保证了其执行器周期重复工作时的耐久性，对商业航天及科研设备的长期可靠运转至关重要。除了航天领域，液态氢和液态氮的储存与运输也极度依赖低温执行器技术。利用Cu-Al-Mn形状记忆合金制作的低温驱动器，能够在极端温度下保持大置换和高承载力，对自动化阀门、调节机构乃至智能节流系统的设计提供了强有力的材料支持。同时，其优异的高能量密度特性使得这些执行器在轻量化设计中具有明显优势，有助于航空航天和极地探测等运输成本极高的领域节省燃料和空间。面向未来，铜铝锰基形状记忆合金的研究正朝着更深层次的材料微观结构设计与性能优化方向发展。
通过掺杂镍等元素改善合金的力学强度及稳定性，科学家尝试进一步降低工作转变温度的阈值，实现低至液氦温度（4.2K）条件下也能有效工作。此外，纳米结构调控和先进热机械加工技术的引入，有望进一步提升材料的循环寿命和响应速率。与传统低温驱动材料如压电陶瓷和磁致伸缩材料相比，Cu-Al-Mn基形状记忆合金在大置换量、高输出功率和宽温域应用方面具有显著优势，未来在机器人、医疗器械、深空探测器等前沿科技领域的使用前景极为广阔。总而言之，形状记忆合金特别是铜铝锰体系，正引领着低温执行器技术进入一个全新的时代。通过突破温度限制，实现高效、可靠的形状记忆效应和超弹性，这类合金不仅满足了当前行业对于低温环境高性能执行器的迫切需求，更为未来智能化、微型化、多功能的执行器设计提供了坚实的材料基础。随着研究的深入和技术的成熟，预计铜铝锰形状记忆合金将在航天科学、液体燃料储运、超导应用乃至新能源领域掀起广泛的技术革新浪潮，推动人类进入低温控制与自动化的新纪元。
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