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北科大《Nature》子刊：具有塑性的低成本軸向零膨脹雙相合金！

2021-08-31 16:33:38 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

零熱膨脹（ZTE）合金，具有獨特的尺寸穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等特點。然而，它們在熱和應(yīng)力下的實際應(yīng)用受到其固有脆性的限制，因為零熱膨脹（ZTE）和塑性通常是單相材料所獨有的。此外，ZTE合金的性能對成分的變化非常敏感，常規(guī)的合成方法，如合金化或多相設(shè)計，來提高其熱性能和力學(xué)性能往往不適用。

在此，北京科技大學(xué)林鯤、邢獻(xiàn)然團隊采用一步共晶反應(yīng)方法，克服了上述挑戰(zhàn)。相關(guān)論文以題為“Plastic and low-cost axial zero thermal expansion alloy by a natural dual-phase composite”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25036-1

零熱膨脹（ZTE）合金，因其在溫度波動下的尺寸穩(wěn)定性，在從機械手表到通信衛(wèi)星的日常生活中，發(fā)揮著重要作用。然而，ZTE材料在本質(zhì)上是罕見的。這種行為對于金屬材料來說尤其罕見。只有少數(shù)的晶格、自旋和軌道之間的耦合，通過所謂的磁體積效應(yīng)引起熱膨脹系數(shù)的降低，這種效應(yīng)在一些單相金屬材料中已經(jīng)報道過，如傳統(tǒng)的英瓦合金（Fe0.64Ni0.36）和一些磁性金屬間化合物（如Tb（Co,Fe）2，La（Fe,Si,Co）13）。

另一方面，這些ZTE化合物，大多是脆性的、強度低、塑性小、斷裂韌性低且適用性較差。但應(yīng)注意，廣泛使用的英瓦合金具有塑性，但強度較低。另一種設(shè)計ZTE合金的方法是，混合熱膨脹材料和熱收縮材料（例如，La（Fe,Si）13/Cu和ZrW2O8/Al）。但這些人工復(fù)合材料，往往存在不理想的微觀結(jié)構(gòu)或界面結(jié)合薄弱等問題，導(dǎo)致其整體力學(xué)性能和熱循環(huán)性能較差。

更重要的是，磁體積效應(yīng)具有很高的成分敏感性，高溫合成過程中輕微的界面?zhèn)髻|(zhì)可能會抑制或消除ZTE特性。幾十年來，尋找具有良好強度-塑性性能的新型ZTE合金，已成為普遍存在的挑戰(zhàn)。

此文中，研究者采取了一步策略在二元體系中通過亞共晶或過共晶反應(yīng)來設(shè)計塑料和低成本ZTE合金。鐵是地球上最豐富的元素之一；其常規(guī)相α-Fe具有較高的塑性和正熱膨脹（PTE）。有趣的是，在R-Fe （R =稀土）二元相圖上，在磁性有序驅(qū)動下，F(xiàn)e與R2Fe17形成共晶體系，R2Fe17是典型的負(fù)熱膨脹（NTE）金屬間化合物。這表明R2Fe17相，在任何溫度下都能與Fe平衡共存，而不喪失其自身的NTE特性。此外，通過調(diào)節(jié)二元體系中的化學(xué)成分，可以很容易地控制相分?jǐn)?shù)和微觀結(jié)構(gòu)，這是提高熱膨脹和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

結(jié)果表明，在純鐵中加入4%的Ho原子，可以設(shè)計和制備軸向ZTE合金（Ho0.04Fe0.96， α1 = 0.19×10?6 K?1,100~335K），獲得中等強度-塑性組合。研究者進一步表明，目前的雙相合金在熱循環(huán)條件下具有很高的穩(wěn)定性，這在同時具有ZTE和塑性的合金材料中是罕見的，這種性價比高的合金具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖1 相和晶體結(jié)構(gòu)。

圖2 ZTE合金的顯微組織。

圖3 熱膨脹和力學(xué)性能。

圖4 S-4合金的實時原位中子衍射研究。

圖5 S-4合金的TEM研究。

圖6 力學(xué)和熱膨脹性能總結(jié)。

在此，研究者采用共晶反應(yīng)的方法，克服了金屬材料ZTE與塑性之間的矛盾。通過這種方法，研究者成功地設(shè)計并制備了一種低成本、熱循環(huán)性能穩(wěn)定、強度-塑性適中的鐵基ZTE雙相合金Ho0.04Fe0.96。具有半共格界面的層狀雙相組織，不僅調(diào)節(jié)了Fe基ZTE合金的熱膨脹行為，而且大大提高了合金的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。目前雙相合金的綜合性能，可以有效地避免材料性能不平衡造成的“桶效應(yīng)”，具有廣闊的應(yīng)用前景。研究者期望使用共晶反應(yīng)策略，可以開發(fā)出更多高性能的ZTE合金。

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