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“零膨脹材料及其機(jī)理研究獲新進(jìn)展”
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零膨脹材料及其機(jī)理研究獲新進(jìn)展 http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/201191415434634719377.shtm 北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授課題組與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）黃清鎮(zhèn)研究員等合作，在具有零膨脹性能的材料研究方面取得重要進(jìn)展。 實(shí)質(zhì)上任何固體材料隨溫度變化都會發(fā)生膨脹或收縮。材料的熱脹冷縮會降低精密部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性，削弱甚至破壞材料的功能特性。能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的熱膨脹行為進(jìn)行調(diào)控、在環(huán)境溫度變化時(shí)獲得近“零膨脹”的優(yōu)異性能，是航空航天、電子器件、精密儀器等高端技術(shù)領(lǐng)域的重大需求。例如，航天器中使用的陀螺儀，要求從地面到太空在溫度劇烈變化時(shí)始終保持極高的尺寸穩(wěn)定性和定位精確性。 如何才能實(shí)現(xiàn)對材料的熱膨脹行為進(jìn)行控制呢？多年來發(fā)展的方法是將具有正熱膨脹和負(fù)熱膨脹的兩種材料進(jìn)行復(fù)合，利用疊加效應(yīng)獲得近零膨脹性能。然而，這種方法使材料內(nèi)部在變溫環(huán)境下容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和應(yīng)變，可導(dǎo)致復(fù)合界面疲勞斷裂。因此，探求在單一化合物材料中實(shí)現(xiàn)零膨脹性能是近年來新型功能材料領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)。 北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋曉艷課題組，近年來深入研究了反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化合物單一材料體系內(nèi)的熱膨脹行為。在課題組原創(chuàng)的金屬納米晶塊體材料制備路線（《先進(jìn)材料》(Advanced Materials，2006, 18, 1210)）的基礎(chǔ)上獲得新的突破，于國際上首次制備出了平均晶粒尺寸減小到約十個(gè)納米的超細(xì)納米晶反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化合物塊體。該材料為各向同性，具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和力學(xué)性能。 最近，該課題組與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所黃清鎮(zhèn)研究員合作，利用中子衍射技術(shù)分別測試了微米級粗晶、納米晶和超細(xì)納米晶反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化合物的熱膨脹特性。發(fā)現(xiàn)超細(xì)納米晶反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化合物塊體在12~230K的超寬溫度范圍內(nèi)展示出令人驚喜的零膨脹性能，其熱膨脹系數(shù)的絕對值僅為|α|= 1.18×10-7K-1。隨著化合物塊體晶粒尺寸的減小，磁結(jié)構(gòu)中Mn陣點(diǎn)占位率明顯降低。由此引起隨溫度變化的磁有序化程度和速率均下降，導(dǎo)致磁有序誘發(fā)的負(fù)熱膨脹量和負(fù)熱膨脹變化率均減小，從而使得在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)負(fù)熱膨脹和正熱膨脹能夠完全抵消，獲得寬溫區(qū)零膨脹性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，材料納米化是降低某些晶格陣點(diǎn)占位率的一條創(chuàng)新和有效的途徑。然而，這并不意味著納米化是唯一途徑，研究人員認(rèn)為，凡是能改變磁結(jié)構(gòu)中原子占位率的其它方法，均可能通過調(diào)整磁有序化過程而控制材料負(fù)熱膨脹和正熱膨脹之間的平衡關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對單一化合物材料熱膨脹行為乃至零熱膨脹性能的精確操控。該機(jī)理原則上適于任何具有磁彈性（磁致伸縮特性）的材料體系�；谶@一零膨脹性能的內(nèi)在機(jī)制，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可根據(jù)實(shí)際參數(shù)的需要設(shè)計(jì)開發(fā)新的零膨脹材料，這為先進(jìn)零膨脹材料新的發(fā)展階段開拓了一個(gè)重要的研究方向。 關(guān)于該項(xiàng)研究結(jié)果的論文以不做任何修改的方式發(fā)表于近期的《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)。 該課題組在制備具有負(fù)熱膨脹和零膨脹性能的反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化合物材料的特色技術(shù)方面，已獲得授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)。此外，在納米結(jié)構(gòu)新型功能材料的制備技術(shù)方面，擁有授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)，形成了較為完整的核心技術(shù)體系。系列工作得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃”科研項(xiàng)目的支持。（來源：科學(xué)網(wǎng)） |
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