合肥研究院在新型金屬負熱膨脹材料研究方面取得新進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員童鵬課題組在金屬負熱膨脹（Negative thermal expansion, NTE）材料研究方面取得新進展。研究人員通過調控Laves相合金Hf1-xTaxFe2的化學組成，獲得了兼具優異熱學、力學性能和室溫下寬溫區、大NTE系數的新材料。相關研究成果以全文形式發表于Acta Materialia (Acta Mater., 161, 258-265 (2018))，并申請發明ZL一項（申請號：201810920668.6）。

　　精密光學儀器、航空航天、低溫工程、微電子器件等領域的快速發展對材料的尺寸熱穩定性提出了苛刻的要求。然而，由于內稟的原子非簡諧振動，大多數固體材料呈現出“熱脹冷縮”現象，導致材料尺寸隨環境溫度變化而變化，嚴重影響了儀器設計精度和功能；長期往復溫度循環還會導致微觀應力集中，縮短材料與器件的使用壽命。NTE材料則呈現出“熱縮冷脹”現象，為調控材料膨脹系數、提高材料尺寸熱穩定性提供了契機。將NTE材料與通常的正熱膨脹（positive thermal expansion, PTE）材料進行復合，可有效抑制PTE材料的熱膨脹甚至實現零膨脹。但就實際應用而言，負膨脹材料除了需擁有優異的NTE性能外，還需要兼具良好的熱導率和力學性能。目前已有的NTE材料體系難以同時兼顧上述性能。

　　Laves相合金Hf1-xTaxFe2在x ~ 0.16 – 0.22組分范圍內具有陡峭的鐵磁-反鐵磁態轉變，并伴隨著劇烈的晶格體積收縮（體積收縮率達ΔV/V ~ 1%）。由于上述磁-晶格耦合效應，該類材料呈現出豐富磁熱、磁致伸縮、磁電阻現象，引起了科研人員的極大關注。然而，該相變溫區僅有幾個K，無法作為NTE材料而獲得實際應用。最近該課題組通過減小Ta的含量，成功地將Hf1-xTaxFe2陡變的體積收縮展寬為連續的體積變化，并且將其移動至室溫附近，從而獲得了室溫下寬溫區、大NTE系數新材料。例如，x= 0.13時，Hf0.87Ta0.13Fe2在寬達105 K（222 K  -327 K）的溫區內表現出NTE現象，其線性NTE系數αL = -16.3 ppm/K（圖1a）。該NTE性能與文獻報道的反鈣鈦礦結構錳氮化物、La-Fe-Si等金屬NTE材料相當。與展寬的NTE相對應的不再是鐵磁-反鐵磁轉變，而是鐵磁-順磁相變。電子順磁共振譜研究表明，NTE溫區展寬與2a和6h位置的Fe原子磁矩在鐵磁-順磁轉變處的非同步效應密切相關（圖1d）。

　　相比現有的金屬NTE材料，Hf1-xTaxFe2具有更為優異的電導、熱導性能（圖1b）。不僅如此，最優NTE組分Hf0.87Ta0.13Fe2的壓縮強度接近400 MPa，楊氏模量高達223GPa（圖1c），維氏硬度（882 HV）更是數倍于已知NTE材料體系對應值。優良的熱學、力學性能使得Hf1-xTaxFe2在調控PTE材料的膨脹系數同時，也可以提高基體的抗熱震能力和機械性能，使其在精密光學儀器、航空航天等方面具有廣泛的應用前景。

　　該工作得到中科院前沿科學重點研究項目和國家自然科學基金的資助。

　　論文鏈接

圖1. Hf0.87Ta0.13Fe2的線膨脹曲線(a)、熱導率和電導率隨溫度變化關系(b)、壓縮強度、楊氏模量(c)以及電子順磁共振譜(d)。