宽温域负/零膨胀功能材料的研究

Zero thermal expansion materials have important applications in optical devices, precision instruments, aerospace, semiconductor, and so on. This study aims to explore new zero/negative thermal expansion materials with wide temperature range, isotropy and good processability. Firstly, we will screen and optimize the existing zero/negative expansion materials in order to obtain isotropic zero/negative expansion metal-based functional materials with controllable thermal expansion coefficients and wider temperature region can be obtained. Then the obtained excellent materials will be selected to combine with Al, Ti, Cu and other metals or alloys. It was expected to realize the control of thermal expansion behavior for metal / alloy materials while they still have good mechanical and processing performance, Accordingly, zero expansion materials with wide response temperature region and metal functional materials with controllable thermal expansion coefficient, which have practical application value, will be finally obtained, Meanwhile, electric/thermal conductivity, mechanical properties, as well as possible magnetostriction, piezomagnetic, barocaloric, baroresistance properties for these zero/negative thermal expansion materials will also be investigated in order to explore zero thermal expansion materials with other abnormal properties, In theory, this study focus on the essential correlation between the structure (crystal structure, electronic structure, magnetic structure and interface) and physical properties, the mechanical properties/ interface matching/ phase stability of the composites, the key influencing factors/controlling/mechanism of the thermal expansion properties, and then exploring new intelligent materials with practical application value.

零膨胀材料在光学器件、精密仪器、航空航天、半导体等领域具有重要应用价值。本课题旨在探索具有宽温域、各向同性、良好加工性能的新型零/负膨胀功能材料。首先，对已有的金属基零/负膨胀材料进行筛选和优化，获得更宽温区、热膨胀系数可调控的各向同性零/负膨胀金属基功能材料。然后选择合适材料与Al、Ti、Cu等金属或合金复合，期望实现对金属/合金材料热膨胀行为的调控，并保持良好的力学与加工性能，最终获得具有实际应用价值的宽温域零膨胀材料或热膨胀系数可调控的金属功能材料。同时兼顾零/负膨胀材料导电、导热、力学、以及可能的磁致伸缩、压磁、压热、压阻等性能的研究，探索具有其它特殊功能的零膨胀材料。 理论上，揭示结构（晶体结构、电子结构、磁结构以及界面）与物性的本质关联关系，以及复合材料力学性能、界面匹配、相稳定等问题，掌握材料热膨胀性质的关键影响因素、以及调控规律与本质，探索具有实际应用价值的新型智能材料

该项目实现了固体材料热膨胀行为的宽温区调控，获得在较宽温区且覆盖室温的各向同性零/负热膨胀功能材料，对满足航空航天、精密制造、光学器件等高端技术领域的应用需求具有重要价值。该课题通过一系列手段合成多个各向同性、宽温域、金属性近零/负膨胀材料体系，应用中子衍射等技术深入探讨了晶格反常变化与磁结构/磁矩的关联关系，揭示了此类磁性材料反常热膨胀行为的机制及其关键影响因素。主要研究成果包括：.（1）首次利用多相复合方法获得在200K≤T≤400K(ΔT=200K)温区内响应的宽温区零/负热膨胀复合材料，该材料同时具有优异的冷热循环稳定性。.（2）在Fe3-xMxPtB0.25体系中利用两相（随机占位面心立方相和有序面心立方相）界面共格耦合机制获得在较高温度范围响应的宽温区(ΔT=200K)零热膨胀材料。.（3）结合变温中子衍射数据深入研究了Mn基反钙钛矿化合物Mn3Ga1-xSnxN磁体积效应（自发磁致伸缩）与自旋磁矩之间的定量关系，揭示了磁有序演变导致反常晶格变化的微观机制。.（4）通过改变体心位置C含量，在Mn3Zn0.5Sn0.5Cx材料体系中获得一种新型非共面反铁磁结构及其诱导的宽温区零热膨胀行为，其响应温区为10K–162K，热膨胀系数为9.3×10-7 K-1。利用中子衍射并结合蒙特卡罗方法，揭示了非共面反铁磁系统中的“自旋–晶格”关联的本征机制。.（5）在Fe3NiBx系列化合物中发现具有巨热滞的负膨胀行为，并阐明其起源是由于升降温过程中相变形核能力的不同导致低温体心立方至高温面心立方结构相变过程中存在大的热滞。.（6）成功合成一系列具有宽温区负热膨胀行为的高熵反钙钛矿化合物，其负热膨胀响应温区达到235K(5K≤T≤240K)。. 在该项目资助下，我们在Adv. Funct. Mater., Mater. Design, ACS Appl. Mater. Interfaces, Phys. Rev. B, Scripta Mater.等期刊发表文章31篇，其中SCI收录28篇；申请国家发明专利4项，3项已授权。培养青年教师3人，6名研究生获博士学位，4名获硕士学位。