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新型结晶氧化物可以解决复合材料中的过热问题

人工智能 2021-04-30 15:32:40

东京工业大学的科学家最近合成了一种具有独特热膨胀特性的新型材料。科学家使用的方法能够生产出一种独特的,含有锆,硫和磷的结晶氧化物,该氧化物表现出两种不同的负热膨胀机理。这是第一种显示该特性的已知材料,其应用可能有助于避免损坏复合材料(例如计算机芯片组件),而这些材料将面临意想不到的温度变化。

大多数材料在加热时会随着原子移动而膨胀。使用热膨胀系数(CTE)来测量材料在热下的可膨胀性。当前大多数工业级材料的CTE为正值,因此在承受“极端”温度时它们的性能会很差。但是,某些材料会遇到相反的效果,在更高的温度下会收缩。这种异常过程称为负热膨胀,可能有助于解决复合材料的热损伤问题。

东京工业大学的一组科学家由Toshihiro Isobe副教授领导,正在研究CTE值为负的材料。正如Isobe博士解释的那样,“负热膨胀行为可以主要归因于两种类型的机制,即相变和框架型机制。” 这两种机制都有其优缺点,因此已在工业上得到应用。相变型材料具有较大的负CTE,但适用温度窄范围,限制了它们的操作用途,特别是作为复合材料中的填料。另一方面,框架型材料在很宽的温度范围内显示出热收缩,但是由于它们的绝对CTE值很小,因此需要大量使用才能达到理想的结果。多年以来,科学家一直在寻找两者之间的适当折衷方案,但是迄今为止,尚未报道能够同时经历两种负热膨胀机理的材料。

Isobe博士及其团队在《NPG亚洲材料》上发表的最新研究中报告了一种合成由锆,硫和磷制成的新型晶体氧化物并描述其特性的方法。Isobe博士将该晶体的化学式为Zr 2 SP 2 O 12,描述为“一种负CTE材料,加热时会显示出过渡型和骨架型​​机理。”

科学家发现,尽管Zr 2 SP 2 O 12表现出了前面提到的两种负热机制,但在给定温度下可能占主导。例如,在393K(大约120°C)到453K(大约180°C)之间,材料迅速收缩,某些结构单元变形,这表明相变。但是,在此温度范围的上下,收缩并不明显,研究人员反而观察到原子间键长和键角的微小变化,这是骨架型机制的特征。

研究人员还注意到了一个有趣的现象。他们发现,在相变期间(120-180°C),晶格中含硫原子较少的晶体更容易变形,从而导致材料的收缩更大(负CTE值更高)。这可以帮助生产具有特定应用所需CTE的Zr 2 SP 2 O 12晶体。

这种新型的晶体材料及其产生机理可以为合成具有类似双重机理的化合物铺平道路。这样,材料工程师将能够选择具有特定特性的化合物,以使制造的材料的性能适应特定的操作条件。

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