再「火」也不能膨脹

「熱脹冷縮」現象在生活中隨處可見：弄癟了的乒乓球用開水燙一燙會鼓起來；夏天不能給輪胎充太足的氣，防止溫度高時引起爆胎；夏天架空中電纜時也不能過緊，以防冬天遇冷收縮時綳斷。

圖1 乾癟的乒乓球在熱水中恢復原狀（圖片來自網路）

正熱膨脹=熱脹冷縮，負熱膨脹=熱縮冷脹

普通材料的「熱脹冷縮」，也叫「正熱膨脹」，主要表現為物質受熱膨脹，冷卻收縮的現象。這是由於溫度上升時物體內的粒子（原子）運動幅度加大，粒子之間的平均距離變大，從而令物體膨脹；同理，當溫度下降時，粒子的運動幅度減弱，使物體收縮。

在很多情況下，「熱脹冷縮」可不是一件好事。例如，「熱脹冷縮」會導致材料尺寸隨環境溫度變化，就會嚴重影響儀器的精度和功能；由不同材料構成的器件，由於膨脹係數不匹配，溫度變化時會導致裝配間隙、熱應力和密封失效。材料的「熱脹冷縮」及其導致的上述效應已經成為制約精密（光學）儀器、航空航天、低溫工程、微電子器件等領域快速發展的一個共性瓶頸問題。

圖2 圖片來自網路

那種遇到高溫就膨脹的材料，叫「正熱膨脹」材料。不過，其實還有一種「負熱膨脹」材料，它的特性就是「熱縮冷脹」，當物體的溫度升高時，物體的體積縮小，再怎麼「火」也不膨脹；溫度降低時，物體反而膨脹。

我們日常生活中離不開的水在4℃以下就是負熱膨脹的。這樣冬天湖面的水遇冷後就也不會下沉，而湖底的水永遠保持在4℃，魚蝦和水生物就不會被凍死了。

負熱膨脹+正熱膨脹零膨脹？負熱膨脹材料是關鍵

將負熱膨脹材料與通常正熱膨脹材料進行複合，可有效抑制正熱膨脹材料的熱膨脹甚至實現零膨脹。這為調控材料膨脹係數、提高器件的結構和性能穩定性帶來了希望。然而遺憾的是，已有的負膨脹材料總是存在這樣或那樣的缺點。

例如，已經被研究20多年的明星負熱膨脹材料鎢酸鋯（ZrW2O8）就存在結構不穩定、導熱性差且易吸水等問題，給實際應用造成了困難。

圖3 電路板與集成器件（圖片來自網路）

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所童鵬研究員課題組在金屬負熱膨脹材料研究方面取得了新進展，獲得了一種兼具優異熱學、力學和負熱膨脹性能的鐵基 Laves 相化合物——鉿鉭鐵合金Hf0.87Ta0.13Fe2。

該合金在零下51℃至零上54℃的溫度範圍內呈現負熱膨脹，相應的線性膨脹係數達到了-16.3 ppm/K（圖4a）。也就是說，鉿鉭鐵合金製成的1米長棒在溫度升高1℃時縮短了16.3微米！而日常生活中常見的金屬材料，比如鐵，它的線性膨脹係數為12 ppm/K，意味著1米長鐵棒升高1℃時，僅伸長12微米。鉿鉭鐵合金有如此大的負熱膨脹效應，如將其與正熱膨脹材料複合，其受熱收縮的變化量便足以將正熱膨脹材料的熱膨脹抵消，有望實現零膨脹。

不僅如此，該合金還具有良好的電導、熱導性能（圖4b）和機械性能：例如壓縮強度接近400 MPa（圖4c），楊氏模量高達223 GPa（圖4c），維氏硬度達到了882 HV。

圖4 鉿鉭鐵的線膨脹曲線（a）、力學性能（b）和熱學性能（c）。

優良的熱學、力學性能使得鉿鉭鐵在抑制基底材料熱膨脹的同時，還可以提高基體的抗熱震能力和機械性能，起到了組合調控的效果。例如，我們可以利用該化合物大的負膨脹係數來對電子封裝材料的熱膨脹係數進行有效調控，減少封裝材料與晶元之間的熱應力。與此同時，其優異的熱導性能可以提高器件的散熱能力，從而為電子器件的性能穩定性和使用壽命提供保障。

因此，鉿鉭鐵負膨脹合金為解決微電子、精密儀器、航空航天、低溫工程等領域中材料的「熱脹冷縮」問題提供了一個很好的「抑製劑」材料，具有較大的應用前景。

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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