В современном мире постоянный поиск новых материалов с уникальными свойствами играет ключевую роль в развитии науки и техники. Одним из таких прорывных направлений стали сплавы с эффектом памяти формы — материалы, способные восстанавливать свою первоначальную форму под воздействием температуры. Их необычные физические характеристики активно используются в разработке высокотехнологичных актюаторов. Особенное внимание уделяется применению этих сплавов для работы в криогенных условиях, то есть при экстремально низких температурах. Актюаторы — механизмы, преобразующие различные виды энергии в физическое движение с силой.
В традиционной технике широко используются гидравлические, пневматические и электромагнитные устройства. Однако они зачастую громоздки, энергоемки и имеют ограничения в рабочих температурах. В то же время, актывация формы памяти сплавов характеризуется не только миниатюрностью и повышенной функциональностью, но и способностью создавать значительные усилия и деформации даже в узком температурном диапазоне. Одной из основных проблем, ограничивающих использование классических сплавов с памятью формы, например, Ti-Ni, является узкий температурный интервал их эффективности. Обычно эти материалы функционируют в районе комнатной температуры, что не подходит для задач, связанных с глубоким охлаждением — от 50 до 270 Кельвинов.
На этом фоне Cu-Al-Mn-базированные сплавы выделяются своей способностью демонстрировать эффект памяти формы при очень низких температурах с высокими показателями работы под нагрузкой. Рассмотрим подробнее механизм формирования эффекта памяти формы. Он базируется на обратимом бездиффузионном превращении кристаллической структуры сплава из родительской фазы высокой температуры в мартенсит — низкотемпературный фазовый состав. При охлаждении материал переходит в мартенсит, меняя форму под нагрузкой, а при нагреве до температуры, превышающей определенный порог, возвращается в исходную форму. Если этот переход происходит без повреждения структуры и с минимальными потерями, эффективность активации материала максимальна.
Традиционные Ti-Ni-сплавы ограничены в применении криогенными технологиями из-за того, что их температура мартенситного преобразования редко опускается ниже 150 К. Более того, уменьшение температуры приводит к значительному росту гистерезиса — разницы температур начала и окончания перехода, что снижает эффективность работы. В Cu-Al-Mn сплавах с повышенным содержанием марганца была заметно смещена температура мартенситного преобразования вниз, что позволяет сохранять активность при температурах порядка 50–75 К. Кроме того, Cu-Al-Mn проявляют необычное сохранение высокой энтропийной разницы между мартенситом и родительской фазой даже при криогенных условиях. Это обеспечивает значительную работоспособность (энергию, которую материал способен отдать/преобразовать в механическую работу) и значительно расширяет рабочих температурный диапазон.
Этот фактор становится решающим для использования данных сплавов в задачах, где требуется надежный и мощный привод при экстремально низких температурах. Одним из ярких примеров практического внедрения является создание механического теплового переключателя для космических инфракрасных телескопов. В таких приборах крайне важно поддерживать сверхнизкую температуру для снижения шума и повышения чувствительности наблюдений. Использование Cu-Al-Mn сплавов в этих переключателях позволяет эффективно включать и отключать теплопередачу с помощью управляемой деформации сплава, что приводит к значительной оптимизации работы системы охлаждения и снижению массы и энергопотребления космических аппаратов. Кроме космической отрасли, применение таких криогенных актюаторов актуально в области хранения и транспортировки сжиженных газов, включая водород и гелий.
Технологии, обеспечивающие надежные, компактные и эффективные устройства управления при низких температурах, востребованы для развития энергетики и промышленной инфраструктуры. Ключевым достижением в исследовании Cu-Al-Mn сплавов является возможность создания однофазных больших кристаллов с высокой технологической прочностью и пластичностью, что обеспечивает их долговечность под циклическими нагрузками. Механические испытания при температурах 4–270 К показали, что данные сплавы способны выдерживать серьезные нагрузки и демонстрировать обратимый эффект памяти формы с рабочей деформацией порядка нескольких процентов. Это делает их уникальными в своем классе материалов. Современные методы изготовления, включая индукционный плав, горячую и холодную прокатку, а также циклические термообработки, позволяют получать качественные образцы с контролируемым составом и структурой.
Включение никеля в состав дополнительно влияет на снижение температуры перехода, сохраняя структурные свойства и улучшая характеристики рабoты при низких температурах. Тщательное изучение переходных температур посредством дифференциальной сканирующей калориметрии и измерения электрического сопротивления подтверждает возможность эффективного управления фазовыми преобразованиями сплава в узком и контролируемом диапазоне температур. Это открывает дорогу к точным и надежным криогенным актюаторам с высокой плотностью энергии, превосходящими многие традиционные материалы. Преимущества применения Cu-Al-Mn в криогенных системах заключаются в высокой удельной работе, стойкости к пластическим повреждениям, минимальному гистерезису и стабильности при многократных циклах преобразования. Их способность создавать значительные усилия и деформации даже при экстремальных температурах делает их незаменимыми в передовых инженерных решениях.
