零膨胀功能材料的研发

固体材料通常会随温度变化产生热胀冷缩行为，然而，材料体积随温度的变化会降低精密部件的结构稳定性和安全可靠性，甚至破坏材料的功能特性。在光学仪器、微电子器件、航空航天等高技术领域，迫切需要形状和尺寸不随温度变化的材料，以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命，由此产生了对零膨胀功能材料的研发需求。所谓零(或近零)膨胀功能材料，其微观尺寸随温度变化近似保持不变，可以在特定温度区域内保持体积既不膨胀也不冷缩。零膨胀功能材料在航空航天、微电子器件、光信息传播器件、计算机芯片、电路印刷版、光纤通讯等领域都有广泛的应用前景。特别是在登月及其它深空探测的航天工程中有其特殊地位。由于太空环境温度变化很大，卫星、航天器等空间设备上要求用具有近零热膨胀系数的材料来制造尺寸稳定的结构。
目前，零(或近零)热膨胀材料的设计制作，主要有两种途径:其一是将具有正的热膨胀系数和负的热膨胀系数的材料复合，通过调整体积比例和界面匹配，获得零膨胀的复合材料;其二是在单一化合物中，通过元素掺杂或替代，调控其热膨胀系数，最终获得具有零(或近零)膨胀性能的材料。
对于第一种研发途径，需要开发负膨胀材料。所谓负膨胀材料，指具有热缩冷胀性能的材料。该材料与正膨胀材料通过结构与界面的合理设计，可以合成复合材料。然而负热膨胀材料的种类非常有限。直到20世纪90年代，负热膨胀材料的研究才有了较快的发展。1995年，美国科学家发现ZrV2-xPxO7系列材料具有较大的负热膨胀行为，某些成份的固溶体负热膨胀温度可以高达800°C。他们还发现ZrW2O8从0.3K到1050K表现出各向同性的负热膨胀行为，这种材料的负膨胀系数可以达到-8.710-6/K，与一般热膨胀陶瓷材料如Al2O3的正膨胀系数有相同的数量级，这个特性为其广泛应用打下了基础。另据报道，某些氰化物具有显著负热膨胀性能，如Cd(CN)2和Zn(CN)2，它们的负热膨胀性能几乎是ZrW2O8的两倍。
对于第二种研发途径，重要的突破是日本科学家发现在锰氮化合物Mn3XN(X=Zn,Ga,Cu)系列材料中通过掺杂Ge替代X可以呈现优异的负热膨胀特性。通过元素掺杂和制备工艺调控，其热膨胀系数和响应温度范围可调、可控，进而实现室温附近的零膨胀。由于其结构属于立方晶胞，其热膨胀效应为各向同性。另外，该系列材料还表现出良好的导电和导热等金属特性，并具有与铁和铝等金属材料匹敌的机械强度。这种近零膨胀效应不是通过正、负膨胀材料的复合实现的，而是通过结构调制在单相中实现的，不存在复合材料可能存在的应力匹配不均、出现裂纹等现象，因此，作为零膨胀材料，它们具有独特的应用优势。（钢研）