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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：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

零熱膨脹（ZTE）合金，具有獨特的尺寸穩(wěn)定性、高的熱導率和電導率等特點。然而，它們在熱和應力下的實際應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，如合金化或多相設計，來提高其熱性能和力學性能往往不適用。

在此，北京科技大學林鯤、邢獻然團隊采用一步共晶反應方法，克服了上述挑戰(zhàn)。相關論文以題為“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。只有少數的晶格、自旋和軌道之間的耦合，通過所謂的磁體積效應引起熱膨脹系數的降低，這種效應在一些單相金屬材料中已經報道過，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。但應注意，廣泛使用的英瓦合金具有塑性，但強度較低。另一種設計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）。但這些人工復合材料，往往存在不理想的微觀結構或界面結合薄弱等問題，導致其整體力學性能和熱循環(huán)性能較差。

更重要的是，磁體積效應具有很高的成分敏感性，高溫合成過程中輕微的界面?zhèn)髻|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來設計塑料和低成本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，在磁性有序驅動下，Fe與R2Fe17形成共晶體系，R2Fe17是典型的負熱膨脹（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，通過調節(jié)二元體系中的化學成分，可以很容易地控制相分數和微觀結構，這是提高熱膨脹和力學性能的關鍵因素。

結果表明，在純鐵中加入4%的Ho原子，可以設計和制備軸向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用潛力。

圖1 相和晶體結構。

圖2 ZTE合金的顯微組織。

圖3 熱膨脹和力學性能。

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 力學和熱膨脹性能總結。

在此，研究者采用共晶反應的方法，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”，具有廣闊的應用前景。研究者期望使用共晶反應策略，可以開發(fā)出更多高性能的ZTE合金。

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