東京工業大學的科學家們最近合成了一種具有獨特熱膨脹特性的新型材料。科學家們采用的方法能夠制造出一種含有鋯、硫和磷的獨特晶體氧化物，它表現出兩種不同的負熱膨脹機制。這是第一個顯示出這種特性的已知材料，它的應用可能有助于避免計算機芯片等復合材料在面對意外溫度變化時的損壞。
大多數材料在加熱時往往會膨脹。材料在高熱下的膨脹性是用熱膨脹系數（CTE）來衡量的。目前大多數工業級材料的熱膨脹系數為正值，因此在承受更 '極端 '的溫度時，其性能較差。然而，有些材料卻出現了相反的效果，在較高的溫度下會收縮。這種不尋常的過程被稱為負熱膨脹，可能有助于解決復合材料的熱損傷問題。
東京工業大學的一個科學家團隊一直在研究具有負熱膨脹的材料。研究人員解釋說，'負熱膨脹行為主要可以歸結為兩類機制，即相變和框架型機制'。這兩種機制都有工業應用，因為兩者都有優點和缺點。相變型材料具有較大的負CTE，但可用溫度范圍較窄，這限制了它們的使用，特別是作為復合材料中的填料。而框架型材料則在較寬的溫度范圍內表現出熱收縮，但由于其絕對CTE值較小，因此需要大量的材料才能達到理想的效果。多年來，科學家們一直在尋找兩者之間的平衡方案，但直到現在，能夠同時承受兩種負熱膨脹機制的材料仍未見報道。
研究團隊提出了一種由鋯、硫和磷組成的新型晶體氧化物的合成方法。這種晶體的化學式為Zr2SP2O12，研究人員將其描述為 '一種負CTE材料，在加熱時同時顯示出過渡型和框架型機制'。
科學家們發現，雖Zr2SP2O12同時表現出前面提到的兩種負熱膨脹機理，但在特定的溫度下，其中一種可能會占主導地位。例如，在393K(約120℃)至453K(約180℃)之間，材料迅速收縮，部分結構單元發生變形，這表明存在相變。然而，在這個溫度范圍上下，收縮并沒有那么明顯，研究人員反而觀察到了原子間鍵的長度和角度的小幅變化，這是框架型機制的特點。
研究人員還注意到一個有趣的現象。他們發現，晶格中含有較少硫原子的晶體在相變過程中(120-180℃)更容易變形，導致材料的收縮幅度更大(負CTE更高)。這有助于生產具有所需CTE的Zr2SP2O12晶體，以滿足特定的應用需求。
這種新型晶體材料及其生產機制可以為具有類似雙重機制的化合物的合成提供重要參考。這樣一來，材料工程師就能選擇具有特定性能的化合物，使制造材料的性能適應特定的操作條件。
文章來源：復材模壓網
原標題：《【復材資訊】新型晶體氧化物可以解決復合材料過熱問題》
