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合肥研究院在金屬負膨脹材料研究方面取得系列進(jìn)展
發(fā)布者：風(fēng)影 發(fā)布時(shí)間：2017-05-26 10:59:25 瀏覽次數：3409
近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員童鵬課題組在金屬負熱膨脹（Negative thermal expansion, NTE）材料研究方面取得了系列進(jìn)展，相關(guān)研究結果發(fā)表在Comp. Sci. Tech.、Scripta Mater.、Appl. Phys. Lett.等國際期刊上，申請中國發(fā)明專(zhuān)利兩項。
航空航天、微電子、精密儀器、光學(xué)器件和低溫工程等領(lǐng)域對構件尺寸的熱穩定性有著(zhù)苛刻的要求。然而大多數材料在溫度變化時(shí)會(huì )表現出“熱脹冷縮”。溫度變化時(shí)，不同構件的非協(xié)調熱膨脹會(huì )導致系統功能性變差甚至失效，最終導致構件喪失原本設計的精度。而如何有效控制材料的熱膨脹系數是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。
具有“熱縮冷脹”特性的負熱膨脹材料可以補償一般材料的正膨脹(positivethermal expansion, PTE)，調控材料的膨脹系數，甚至實(shí)現近零膨脹（zero thermal expansion,ZTE），在上述諸多領(lǐng)域中材料膨脹系數的調控方面有著(zhù)巨大的潛在應用價(jià)值。與陶瓷類(lèi)型NTE材料相比，金屬NTE材料具有良好的可加工性、導熱性能（抗熱沖擊能力強）和力學(xué)性能，具有更廣闊的應用前景。童鵬課題組近年來(lái)一直致力于新型金屬NTE材料探索及相關(guān)近零膨脹復合材料研究。
反鈣鈦礦結構化合物ANMn3（A=Ag、Ga、Zn等）在反鐵磁-順磁相變時(shí)產(chǎn)生晶格體積的陡然收縮，即磁容積效應（Magnetovolume effect, MVE）。前人的研究表明，利用Ge、Sn等非磁性元素部分地替代A位，可將MVE的溫度窗口展寬，獲得負膨脹。然而該方法在展寬NTE溫區的同時(shí)也使之向高溫移動(dòng)，難以有效地調控NTE溫度窗口，特別是無(wú)法獲得面向低溫領(lǐng)域的NTE材料。該課題組博士林建超、博士生郭新格等從ANMn3中反鐵磁序的阻挫特性出發(fā)，選擇具有不同MVE溫度的母體化合物，利用Mn元素部分地替代A位元素，引入與反鐵磁相競爭的鐵磁序，擾動(dòng)并且延緩反鐵磁序的有序化進(jìn)程，展寬了MVE溫度窗口，獲得了多個(gè)面向不同溫區的NTE新材料。該研究對于精確調控反鈣鈦礦結構NTE材料的工作溫區、探索基于磁容積效應的新型NTE材料具有指導意義。相關(guān)研究結果發(fā)表于Scripta Mater. 128, 74-77 (2017)、Appl. Phys. Lett. 106, 082405 (2015)和Appl. Phys. Lett. 107, 202406 (2015)。
從制備N(xiāo)TE/PTE復合材料的實(shí)際來(lái)看，NTE材料的顆粒細化有利于混合均勻，提高復合材料結構和性能的穩定性。林建超研究發(fā)現減小MVE化合物（如GaNMn3、MnCoGe）的顆粒尺寸可以有效地展寬其MVE溫窗，獲得了寬溫區、大NTE系數粉體材料。例如，平均顆粒大小約為3.5?m（1 ?m）的GaNMn3粉體在室溫附近53K（103K）溫度窗口內，各向同性的線(xiàn)膨脹系數達-76ppm/K（-30ppm/K）。進(jìn)一步研究表明MVE溫窗的展寬可歸因于顆粒細化過(guò)程中引入的微觀(guān)晶格應變和原子無(wú)序。該研究為調控PTE材料的熱膨脹行為提供了材料基礎，為探索粉體NTE材料提供了參考依據。相關(guān)研究結果發(fā)表于A(yíng)ppl. Phys. Lett. 109, 241903 (2016)和Appl. Phys. Lett. 107, 131902 (2015)。
最近，該課題組林建超以前期研制的細顆粒GaNMn3粉體為填充劑，制備出均勻性好、孔隙率低的GaNMn3/環(huán)氧樹(shù)脂復合材料。此類(lèi)復合材料的膨脹系數可調，介電性能和熱導率較環(huán)氧樹(shù)脂有顯著(zhù)提升。作為一種熱固性材料，環(huán)氧樹(shù)脂具有較低的固化溫度且易于加工成型，被廣泛應用于電子、航天、汽車(chē)以及休閑等領(lǐng)域。然而環(huán)氧樹(shù)脂具有大的熱膨脹系數（室溫下αL=40-80 ppm/K），遠大于常見(jiàn)金屬和陶瓷材料（αL通常小于20 ppm/K）。此外，環(huán)氧樹(shù)脂導熱性能差、抗熱震能力弱。這些熱學(xué)特性嚴重地制約了環(huán)氧樹(shù)脂的實(shí)際應用。GaNMn3/環(huán)氧樹(shù)脂復合材料較純環(huán)氧樹(shù)脂具有更廣闊的應用空間，特別是在下一代的嵌入式電容器領(lǐng)域有著(zhù)重要應用前景。相關(guān)研究結果發(fā)表于復合材料刊物Comp. Sci. Tech. 146, 177-182 (2017)。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金項目和中科院前沿重點(diǎn)研究計劃項目資助。
來(lái)源：合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
