铜铝锰形状记忆合金的低温功能特性实现及其在极低温环境下的应用研究

【编辑推荐】本研究针对极低温环境下可靠驱动材料的稀缺问题，通过热蒸发法制备了两种成分（Cu-9Al-12.6Mn和Cu-9Al-11.8M）的CuAlMn形状记忆合金（SMA）双晶片，实现了~77K（液氮温度）的马氏体相变（MT），最大驱动位移达4.5mm，响应时间仅60毫秒，为氢/氦液化器、低温推进系统等极端环境提供了高性能驱动解决方案。

　　

在航天探索、能源存储等领域，极端低温环境对功能材料提出了严苛要求。传统镍钛（NiTi）形状记忆合金（SMA）在低于液氮温度（77K）时性能急剧衰减，而铁基SMA又面临应力滞后大等问题。如何开发兼具低温相变特性和快速响应的驱动材料，成为制约低温探测器、氢能装备等发展的关键瓶颈。印度理工学院的研究团队独辟蹊径，选择成本低廉、加工性能优异的铜基SMA作为突破口，通过精确调控铝锰比例，成功将马氏体相变温度（M_s
）降至60K，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用热蒸发沉积技术，在聚酰亚胺基底上制备了两种成分（Cu-9Al-12.6Mn和Cu-9Al-11.8M）的SMA双晶片。通过FESEM、XRD和低温电阻测试表征材料特性，结合驱动位移测量系统量化性能。

Fabrication of CuAlMn SMA-coated polyamide bimorph
热蒸发工艺确保合金均匀沉积于75μm厚的聚酰亚胺基底，基底预平整处理消除自然曲率影响。成分差异通过独立蒸发源精确控制，形成具有梯度特性的功能薄膜。

Morphological analysis
FESEM显示薄膜表面致密无缺陷，XRD证实马氏体相（β₁
'）主导的晶体结构。Cu-9Al-12.6Mn样品呈现更明显的孪晶界，对应更优异的低温相变能力。

结论
该研究突破性发现：1）铝锰比每降低0.1，M_s
温度下降约15K，Cu-9Al-12.6Mn在77K展现4.5mm驱动位移；2）60毫秒响应速度远超传统压电/电磁驱动器；3）首次实现CuAlMn SMA在液氮温区的稳定循环性能。这些发现为太空望远镜镜面调节、超导磁体热开关等设备提供了革命性材料解决方案，其成本优势更利于大规模商业化应用。

讨论部分强调，通过成分-性能图谱构建，未来可设计M_s
低至20K的CuAlMnFe四元合金。团队特别指出，该材料在液氢（20K）温区仍保持形状记忆效应，为下一代深空探测器奠定了材料基础。