В современной технике актуаторы играют ключевую роль, обеспечивая точное управление движениями и преобразование энергии в механические действия. В то время как традиционные актуаторы, такие как соленоиды, гидравлические и пневматические устройства, широко используются в разных сферах, существует растущая потребность в материалах и технологиях, способных эффективно функционировать при низких, вплоть до криогенных, температурах. В данном контексте формопамятные сплавы (ФПС) представляют собой перспективное решение, объединяющее миниатюрность, высокую энергоёмкость и функциональность. Их потенциал особенно проявляется при работе в экстремально холодных условиях, где многие классические материалы не способны сохранять свои эксплуатационные характеристики. Формопамятные сплавы — это особая категория материалов, обладающих эффектом памяти формы и суперупругостью, которые связаны с обратимыми фазовыми превращениями, проходящими в кристаллической структуре при изменении температуры или приложении напряжения.
Этот эффект позволяет деформированному материалу возвращаться к исходной форме при нагреве выше определённой температуры трансформации. Среди наиболее известных ФПС — сплавы системы титана и никеля (Ti-Ni), однако их эксплуатация ограничена температурным диапазоном, близким к комнатной температуре. Ключевым ограничением Ti-Ni сплавов является невозможность эффективной работы при криогенных температурах (ниже 100 К), что обусловлено резким снижением термодинамической отдачи фазового перехода и ростом гистерезиса. Это стало серьезным препятствием для широкого распространения ФПС в космической технике, сверхпроводящих системах, а также в промышленности, связанной с хранением и транспортировкой сжиженных газов. Альтернативой стали медные алюминиево-марганцевые сплавы (Cu-Al-Mn), которые демонстрируют уникальные свойства при эксплуатации в широком температурном диапазоне от 50 до 270 К.
Они обладают высокой пластичностью даже при низком содержании алюминия (~17 ат.%), что позволяет легко проводить холодную обработку и получать крупнозернистые или монокристаллические образцы с улучшенными функциональными характеристиками. Эти сплавы демонстрируют выраженный эффект памяти формы под воздействием натяжения при криогенных температурах, сохраняя значительную величину рабочей отдачи и при этом имеют относительно низкий гистерезис, что положительно сказывается на энергоэффективности актуаторов. Исследования показали, что повышение содержания марганца способствует снижению температуры мартенситной трансформации вплоть до приблизительно 50 К. При этом, в отличие от Ti-Ni сплавов, у Cu-Al-Mn наблюдается сохранение значительной разницы энтропии между фазами при низких температурах, благодаря чему возможно стабильное протекание фазовых изменений и эффективный возврат формы.
Такая особенность делает эти сплавы уникальными кандидатами для применения именно при криогенных температурах, где другие смежные материалы малоэффективны. Эксперименты с одноосным растяжением выявили, что Cu-Al-Mn сплавы при нагрузке способны демонстрировать почти полный эффект памяти формы с высоким выходом механической работы (до 42 МДж/м³) на уровне около 100 К. Высокая прочность и устойчивость к пластической деформации у таких образцов обеспечивают стабильность работы динамических систем в условиях низких температур без риска разрушений. Анализ термодинамических параметров температурного перехода по формуле Клаузиуса-Клапейрона подтвердил необычное поведение энтропии, поддерживающее преобразования вплоть до 50 К, что никак не наблюдается в традиционных Ti-Ni системах. Помимо потенциала для чисто актуаторных функций, Cu-Al-Mn сплавы нашли применение в качестве механических теплоизоляционных переключателей для космических инфракрасных телескопов.
Такие переключатели способны эффективно блокировать или обеспечивать теплопередачу при заданных низких температурах, позволяя понижать уровень теплового шума системы и повышать чувствительность приборов. Представленная устройство на базе Cu-Al-Mn продемонстрировало надежную работу и долговечность при температуре около 100 К, осуществляя эффективное теплообменное управление за счёт фазового преобразования сплава. Технологическая значимость этих открытий трудно переоценить. Возможность использования ФПС на базе Cu-Al-Mn в криогенных актуаторах открывает широкие перспективы для легких, компактных и энергосберегающих систем управления в аэрокосмической отрасли, при создании сверхпроводящих машин и приборов, а также в нефтегазовой промышленности при транспортировке и хранении сжиженных газов, таких как водород и гелий. При этом упрощается конструкция и снижаются эксплуатационные затраты, что способствует ускорению внедрения новых технологий на рынке.
Кроме того, развитие таких материалов вызывает интерес и в научных исследованиях, например, в области космической науки и астрофизики, где оборудование для работы в криогенных условиях постоянно становится более сложным и требовательным. Использование Cu-Al-Mn ФПС в актуаторах позволит снижать общий вес полезной нагрузки, повысит надёжность систем и продлит срок их службы, что особенно важно для длительных межпланетных миссий и орбитальных наблюдений. В целом, формопамятные сплавы Cu-Al-Mn представляют собой прорыв в области материаловедения и инженерии актюаторов для низкотемпературных применений. Их уникальные механические и термодинамические свойства при криогенных температурах делают их идеальной альтернативой традиционным сплавам, открывая новые горизонты для совершенствования технологий и расширения функциональности высокотехнологичного оборудования.
