大多數(shù)固體材料會(huì)隨著溫度的升高表現(xiàn)出膨脹行為，少數(shù)材料表現(xiàn)出負(fù)膨脹或零膨脹。在實(shí)際工程應(yīng)用中，不適當(dāng)?shù)臒崤蛎浛偸菍?dǎo)致零部件過早失效，因此需要具有不同熱膨脹特性的材料來匹配復(fù)雜的應(yīng)用場景。能夠與環(huán)境溫度相匹配并表現(xiàn)出有針對(duì)性的尺寸變化的材料在傳感器、管道連接和牙齒填充物方面的應(yīng)用具有重大前景。在精密儀器和光通信系統(tǒng)領(lǐng)域，部件需要在溫度變化下保持尺寸穩(wěn)定，以確保儀器的準(zhǔn)確性并延長其使用壽命。迫切需要能夠在溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面積/體積變化的材料。然而，熱膨脹性能是由材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定的，僅僅通過材料的選擇很難滿足復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料的熱膨脹性能大范圍且精確的調(diào)控將具有重大的工程意義。
深圳大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用非晶合金（又稱金屬玻璃）獨(dú)特的熱塑性，將其作為金屬膠水來制備性能可調(diào)控的復(fù)合材料的新策略（詳細(xì)了解請(qǐng)?jiān)L問：https://www.bMGforming.com/research-express/4576.html）。近日，基于該策略，他們將非晶合金金屬膠水與不同熱膨脹系數(shù)的添加物（單質(zhì)鋅，高熵合金，β-鋰霞石）進(jìn)行復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)了熱膨脹性能可調(diào)控的高性能金屬復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及制備。該成果以 “Metallic Glass Based Composites with Precise Tunable Thermal Expansion”為題在線發(fā)表于Applied Materials Today。博士研究生孫飛為第一作者，馬將教授為通訊作者。
論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/c/1fHXE8M-opwPXH
基于金屬膠水這種便捷的復(fù)合材料制備路徑，研究人員成功的制備了具有大范圍可精確調(diào)控?zé)崤蛎浶阅艿姆蔷Ш辖鸹鶑?fù)合材料（圖1）。研究人員首先通過MG與單質(zhì)鋅的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)從9.6 ppm/K到34 ppm/K大范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)控。然后，通過非晶合金與高熵合金（Co20Cr20Fe20Ni20Mn20）復(fù)合，驗(yàn)證了非晶合金基復(fù)合材料在精確調(diào)控?zé)崤蛎浶阅芊矫娴哪芰ΑＷ詈?，通過非晶合金與具有負(fù)熱膨脹材料β-鋰霞石的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了在寬溫區(qū)內(nèi)的近零膨脹，零膨脹區(qū)間為-50℃至200℃，近零膨脹系數(shù)為0.19 ppm/K，相比于現(xiàn)有零膨脹材料，在制備溫度、制備效率等方面都展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。
圖1. 非晶合金基復(fù)合材料的制備策略以及對(duì)熱膨脹性能的調(diào)控
研究結(jié)果表明，由于非晶合金在過冷液相區(qū)優(yōu)異的流動(dòng)性，復(fù)合材料內(nèi)部各組分的結(jié)合非常致密。界面處的高分辨結(jié)果顯示為非晶衍射環(huán)與晶體亮斑的結(jié)合，界面處的能譜結(jié)果也驗(yàn)證了元素的相互擴(kuò)散，證明金屬膠水與添加物的結(jié)合非常牢固（圖2）。
圖2. 金屬膠水與添加物的結(jié)合表征
作者還進(jìn)行了不同體系復(fù)合材料的抗熱沖擊能力測試（圖3）。結(jié)果表明，雖然非晶合金與單質(zhì)鋅的熱匹配能力較差，但MG-Zn復(fù)合材料仍然具有不低于60次的抗熱沖擊壽命。而非晶合金由于與高熵合金的熱膨脹性能較為接近，MG-HEA復(fù)合材料在經(jīng)歷90次熱循環(huán)沖擊后，依然沒有任何的裂紋產(chǎn)生。MG與β-LAS的近零膨脹復(fù)合材料同樣具有優(yōu)異的抗熱沖擊能力，能夠經(jīng)歷不少于60次的熱循環(huán)測試。
圖3.復(fù)合材料的抗熱沖擊測試
該研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重大項(xiàng)目（2019B030302010）、國家自然科學(xué)基金（51871157，51971150）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFA0703604）等資助。
*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的大力支持。
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