国际新研发:新型晶体氧化物可解决复合材料过热问题

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东京工业大学的科学家们最近合成了一种具有独特热膨胀特性的新型材料。科学家们采用的方法能够制造出一种含有锆、硫和磷的独特晶体氧化物,它表现出两种不同的负热膨胀机制。这是第一个显示出这种特性的已知材料,它的应用可能有助于避免计算机芯片等复合材料在面对意外温度变化时的损坏。

大多数材料在加热时往往会膨胀。材料在高热下的膨胀性是用热膨胀系数(CTE)来衡量的。目前大多数工业级材料的热膨胀系数为正值,因此在承受更 ‘极端 ‘的温度时,其性能较差。然而,有些材料却出现了相反的效果,在较高的温度下会收缩。这种不寻常的过程被称为负热膨胀,可能有助于解决复合材料的热损伤问题。

东京工业大学的一个科学家团队一直在研究具有负热膨胀的材料。研究人员解释说,’负热膨胀行为主要可以归结为两类机制,即相变和框架型机制’。这两种机制都有工业应用,因为两者都有优点和缺点。相变型材料具有较大的负CTE,但可用温度范围较窄,这限制了它们的使用,特别是作为复合材料中的填料。而框架型材料则在较宽的温度范围内表现出热收缩,但由于其绝对CTE值较小,因此需要大量的材料才能达到理想的效果。多年来,科学家们一直在寻找两者之间的平衡方案,但直到现在,能够同时承受两种负热膨胀机制的材料仍未见报道。

研究团队提出了一种由锆、硫和磷组成的新型晶体氧化物的合成方法。这种晶体的化学式为Zr2SP2O12,研究人员将其描述为 ‘一种负CTE材料,在加热时同时显示出过渡型和框架型机制’。

科学家们发现,虽Zr2SP2O12同时表现出前面提到的两种负热膨胀机理,但在特定的温度下,其中一种可能会占主导地位。例如,在393K(约120℃)至453K(约180℃)之间,材料迅速收缩,部分结构单元发生变形,这表明存在相变。然而,在这个温度范围上下,收缩并没有那么明显,研究人员反而观察到了原子间键的长度和角度的小幅变化,这是框架型机制的特点。

研究人员还注意到一个有趣的现象。他们发现,晶格中含有较少硫原子的晶体在相变过程中(120-180℃)更容易变形,导致材料的收缩幅度更大(负CTE更高)。这有助于生产具有所需CTE的Zr2SP2O12晶体,以满足特定的应用需求。

这种新型晶体材料及其生产机制可以为具有类似双重机制的化合物的合成提供重要参考。这样一来,材料工程师就能选择具有特定性能的化合物,使制造材料的性能适应特定的操作条件。

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