不同于常見的“熱脹冷縮”現(xiàn)象,零熱膨脹(Zero Thermal Expansion, ZTE)是固體材料一種引人入勝的性能,其顯著特征是材料體積在一定溫度范圍內(nèi)保持不變。眾所周知,普通材料因熱脹冷縮易產(chǎn)生熱應(yīng)力、形變甚至失效,而零熱膨脹材料可從本質(zhì)上抑制熱失配與結(jié)構(gòu)破壞,顯著提升器件的穩(wěn)定性、可靠性與使用壽命。在航空航天、精密光學(xué)、微電子與半導(dǎo)體、高精度傳感器等領(lǐng)域,零熱膨脹合金材料是實現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的保障。最早的零熱膨脹合金—因瓦合金,于1897年被發(fā)現(xiàn),并在過去一個世紀(jì)中得到廣泛應(yīng)用。因瓦合金在室溫附近發(fā)生磁相變引發(fā)磁致伸縮效應(yīng),該效應(yīng)與晶格熱膨脹抵消,從而在室溫附近表現(xiàn)出零熱膨脹。然而,這種單一磁相變誘發(fā)的零熱膨脹效應(yīng),其溫度窗口較窄,不利于材料寬溫區(qū)應(yīng)用。探索突破寬溫區(qū)、高性能零熱膨脹材料的設(shè)計與制備新方法,不僅能夠推動材料物性研究的創(chuàng)新發(fā)展,更能為國家重大工程與高端裝備的自主可控提供關(guān)鍵支撐,具有重要的科學(xué)價值與戰(zhàn)略應(yīng)用價值。
近期,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心龍有文研究員和潘昭副研究員團隊聯(lián)合北京科技大學(xué)邢獻然教授團隊,利用連續(xù)磁相變策略實現(xiàn)了超寬溫區(qū)零熱膨脹。通過高溫退火處理,在非化學(xué)計量比的kagome金屬(Hf,Ti)Fe???中實現(xiàn)了元素的非均勻分布,并由此構(gòu)建出多重磁有序。在Hf0.6Ti0.4Fe2.54材料中,連續(xù)磁相變產(chǎn)生了超寬溫區(qū)的零熱膨脹,其平均線性熱膨脹系數(shù)在112-525 K的超寬溫度范圍內(nèi)僅為 0.76×10?? K?1(低于2×10???K?1被認(rèn)為是零熱膨脹)。磁化強度測試、洛倫茲透射電鏡、中子粉末衍射與穆斯堡爾譜分析表明,反占位Fe原子引入了額外的磁交換相互作用并穩(wěn)定了磁有序結(jié)構(gòu)。在370 K附近發(fā)生自旋重取向;隨后,磁矩在470 K處急劇減小,并在525 K左右完全轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴4庞行蚺c聲子效應(yīng)之間的補償效應(yīng),實現(xiàn)了跨越室溫的超寬溫區(qū)零熱膨脹。
該研究為理解金屬磁性材料中的非常規(guī)零熱膨脹行為提供了新思路,并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Successive Magnetic Transitions Enable an Ultrawide Temperature Window of Zero Thermal Expansion in (Hf,Ti)Fe???”為題,發(fā)表在近期的J. Am. Chem. Soc. 148, 12119 (2026)上。文章第一作者是中國科學(xué)院物理研究所潘昭副研究員,北京科技大學(xué)周浩維博士以及物理所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生陳超為共同第一作者,通訊作者為物理所潘昭副研究員、龍有文研究員、北京科技大學(xué)固體化學(xué)研究所的曹宜力副教授和邢獻然教授。
該工作受到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、北京市自然科學(xué)基金項目和中國科學(xué)院的資助。物理所葉旭斌副研究員、湖北大學(xué)王瑞龍教授以及日本同步輻射光源SPring-8的Shogo Kawaguchi博士等參與本工作。
![]()
圖:Hf?Ti?Fe合金的熱膨脹行為。(a) Hf0.6Ti0.4Fe2.54沿三個方向的線性熱膨脹曲線;(b) 中子粉末衍射測得的Hf0.6Ti0.4Fe2.54晶格參數(shù)隨溫度的變化;(c) Hf0.6Ti0.4Fe2.54 的同步輻射X射線衍射(110)與(112)衍射峰隨溫度的變化;(d) 傳統(tǒng)Laves相零熱膨脹材料的溫度窗口對比。
編輯:Bingbing
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.