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零膨胀材料及其机理研究获新进展  

2012-04-14 00:50:19|  分类: 科学研究前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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零膨胀材料及其机理研究获新进展 - 临江仙 - spyan581的个人主页

 

图1. Mn3Cu0.5Ge0.5N超细纳米晶块体的显微结构:a, 纳米组织形貌. b, 电子衍射谱. c, 纳米微晶的高分辨形貌. d, 立方反钙钛矿晶体结构. e, 磁结构模型.

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图2. Mn阵点占位率对Mn3Cu0.5Ge0.5N块体热膨胀行为的影响:a, 不同晶粒尺度(对应不同Mn占位率)化合物块体的热膨胀特性. b, 磁矩和晶格参数随Mn占位率的变化.

 

北京工业大学宋晓艳教授课题组与美国国家标准与技术研究所(NIST)黄清镇研究员等合作,在具有零膨胀性能的材料研究方面取得重要进展。

实质上任何固体材料随温度变化都会发生膨胀或收缩。材料的热胀冷缩会降低精密部件的结构稳定性和安全可靠性,削弱甚至破坏材料的功能特性。能够实现对材料的热膨胀行为进行调控、在环境温度变化时获得近“零膨胀”的优异性能,是航空航天、电子器件、精密仪器等高端技术领域的重大需求。例如,航天器中使用的陀螺仪,要求从地面到太空在温度剧烈变化时始终保持极高的尺寸稳定性和定位精确性。

 如何才能实现对材料的热膨胀行为进行控制呢?多年来发展的方法是将具有正热膨胀和负热膨胀的两种材料进行复合,利用叠加效应获得近零膨胀性能。然而,这种方法使材料内部在变温环境下容易产生残余应力和应变,可导致复合界面疲劳断裂。因此,探求在单一化合物材料中实现零膨胀性能是近年来新型功能材料领域的国际研究热点。

 北京工业大学材料科学与工程学院/新型功能材料教育部重点实验室的宋晓艳课题组,近年来深入研究了反钙钛矿结构锰氮化合物单一材料体系内的热膨胀行为。在课题组原创的金属纳米晶块体材料制备路线(《先进材料》(Advanced Materials,2006, 18, 1210))的基础上获得新的突破,于国际上首次制备出了平均晶粒尺寸减小到约十个纳米的超细纳米晶反钙钛矿结构锰氮化合物块体。该材料为各向同性,具有优良的导电导热性和力学性能。

 最近,该课题组与美国国家标准与技术研究所黄清镇研究员合作,利用中子衍射技术分别测试了微米级粗晶、纳米晶和超细纳米晶反钙钛矿结构锰氮化合物的热膨胀特性。发现超细纳米晶反钙钛矿结构锰氮化合物块体在12~230K的超宽温度范围内展示出令人惊喜的零膨胀性能,其热膨胀系数的绝对值仅为|α|= 1.18×10-7K-1。随着化合物块体晶粒尺寸的减小,磁结构中Mn阵点占位率明显降低。由此引起随温度变化的磁有序化程度和速率均下降,导致磁有序诱发的负热膨胀量和负热膨胀变化率均减小,从而使得在相当宽的温度范围内负热膨胀和正热膨胀能够完全抵消,获得宽温区零膨胀性能。实验结果证实,材料纳米化是降低某些晶格阵点占位率的一条创新和有效的途径。然而,这并不意味着纳米化是唯一途径,研究人员认为,凡是能改变磁结构中原子占位率的其它方法,均可能通过调整磁有序化过程而控制材料负热膨胀和正热膨胀之间的平衡关系,从而实现对单一化合物材料热膨胀行为乃至零热膨胀性能的精确操控。该机理原则上适于任何具有磁弹性(磁致伸缩特性)的材料体系。基于这一零膨胀性能的内在机制,在不同的应用领域,可根据实际参数的需要设计开发新的零膨胀材料,这为先进零膨胀材料新的发展阶段开拓了一个重要的研究方向。

 关于该项研究结果的论文以不做任何修改的方式发表于近期的《先进材料》(Advanced Materials)。

 该课题组在制备具有负热膨胀和零膨胀性能的反钙钛矿结构锰氮化合物材料的特色技术方面,已获得授权发明专利5项。此外,在纳米结构新型功能材料的制备技术方面,拥有授权发明专利10项,形成了较为完整的核心技术体系。系列工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金和教育部“新世纪优秀人才计划”科研项目的支持。

http://paper.sciencenet.cn/upload/paper/file/2011/9/2011914153999720.pdf

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