“全天候”的材料(零热膨胀)

制备变温时不发生形变的特种材料将变得更加容易,这得益于一个国际化的科研小组对反钙钛矿结构锰氮化合物的深入研究。

每个孩子在上学时都会学到“热胀冷缩”。目前,仅有几种特殊材料在温度变化时不会发生形变,但是这通常会发生在较窄的温度区间,该种现象称为“零热膨胀”(Zero Thermal Expansion)。这种具有零热膨胀的材料是构造精密的大型工程体系和纳米器件的关键。例如,航天飞行器中的陀螺仪,无论在何种温度条件下使用,它需要保持相同的功能。

最为常见控制热膨胀的方法是把具有不同热膨胀行为的材料结合在一起,但是这个方法会导致局部应力和应变,进而加速材料的损伤效应,最终缩短组件的寿命。极少有单种类材料具备零热膨胀,但是,有一种叫做反钙钛矿结构锰氮化合物的材料却可以。

目前,北京工业大学宋晓艳及其来自美国国家标准局,德国耶拿大学,中科院和日本材料科学研究所的合作者共同研究了反钙钛矿结构锰氮化合物的零热膨胀产生的机理,并将其这种特性推广到更广的温度区间。

这些科学家们发现通过改变锰在固溶体中的晶格位置可以控制反钙钛矿结构锰氮化合物的热膨胀行为。 例如,每种化合物都存在有限的空位,其中一些会被锰所占据,而另一些则会空缺,但整体结构依旧会存在。此种变化会影响材料的磁序,进而来会影响材料对温度的反应。

他们还发现反钙钛矿结构锰氮化合物可以在超宽温度范围内表现出零热膨胀,比以往报道的温度范围大三至四倍。

宋教授认为这种用于改变零热膨胀行为的机理具有普遍意义且可以适用于其他种类材料。这个研究成果使得材料科学家为工程师和纳米科学家在某些至关重要的场所中提供了新型的构件。

X. Song et al., Adv. Mater. 2011 ; DOI: 10.1002/adma.201102552

Xu Guangchen About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。