科学家研制出打破热膨胀规律的新型合金

大多数金属在加热时都会膨胀，但英卡尔等材料却会因磁序变化而抵制这种膨胀。 维也纳科技大学和北京科技大学的研究人员利用模拟来理解这种效应，从而开发出了一种在宽温度范围内具有更好热稳定性的热绿石磁体。 资料来源：维也纳科技大学

因此，研究人员长期以来一直在寻找无论温度如何都能保持恒定长度的材料。 因瓦合金（不变钢）就是这样一种材料，它是一种铁镍合金，以极低的热膨胀率而著称。 然而，直到最近，这种特性的物理解释仍不清楚。

现在，维也纳技术大学 (TU Wien) 的理论研究人员与北京科技大学的实验人员合作取得了重大突破。利用复杂的计算机模拟，他们详细揭示了因瓦合金效应，并开发出了一种所谓的烧绿石磁体——一种热膨胀性能甚至比因瓦合金更好的合金。在超过 400 开尔文的极宽温度范围内，其长度变化幅度仅为每开尔文约万分之一。

热膨胀及其对立面

"材料的温度越高，原子移动的趋势就越大，而原子移动越大，就需要更多的空间。 它们之间的平均距离就会增加，"维也纳理工大学维也纳科学集群（VSC）研究中心的 Sergii Khmelevskyi 博士解释道。"这种效应是热膨胀的基础，无法避免。 但是，我们可以制造出这样的材料，它几乎可以完全被另一种补偿效应所抵消"。

Segii Khmelevskyi 和他的团队开发了复杂的计算机模拟，可用于分析磁性材料在有限温度下的原子级行为。Khmelevskyi 说："这使我们能够更好地理解因瓦几乎不膨胀的原因。这种效应是由于某些电子在温度升高时改变了它们的状态。 材料中的磁序减少，导致材料收缩。 这种效应几乎完全抵消了通常的热膨胀"。

人们已经知道，材料中的磁性秩序是产生因瓦效应的原因。 但只有通过维也纳的计算机模拟，才有可能如此精确地了解这一过程的细节，从而对其他材料做出预测。谢尔盖-赫梅列夫斯基说："这是第一次有理论可以具体预测热膨胀消失的新材料的发展。"

带有 Kagome 平面的烧绿石磁铁

为了在实践中检验这些预测，Sergii Khmelevskyi 与北京科技大学固体化学研究所的 Xianran Xing 教授和 Yili Cao 副教授的实验团队合作。此次合作的成果现已面世：所谓的烧绿石磁铁。

与之前仅由两种不同金属组成的因瓦合金不同，烧绿石磁铁有四种成分：锆、铌、铁和钴。“这是一种在前所未有的宽温度范围内具有极低热膨胀系数的材料，”Yili Cao 说。

这种非凡的温度行为与烧绿石磁铁不具有完美的晶格结构有关，这种结构并不总是以完全相同的方式重复。材料的成分并非在每个点都相同，它是异质的。有些区域钴含量稍多，有些区域钴含量稍少。两个子系统对温度变化的反应不同。这使得材料成分的细节能够逐点平衡，使得整体温度膨胀几乎正好为零。

这种材料在温度波动极端或测量技术精确的应用中可能特别有用，例如航空、航天或高精度电子元件。

编译自/ScitechDaily