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哈工大复合材料顶刊:首次在宽温区内实现了近零膨胀

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大多数固体材料加热时体积膨胀,表现出正热膨胀(PTE)。在光学、精密仪器和航空航天等领域,材料在环境温度变化过程中的热膨胀导致了巨大的尺寸变化使元件失效,极大地降低了器件精度和使用寿命。因此,控制材料的热膨胀是高精度工业的一个关键问题。传统的低膨胀材料,如因瓦合金,其比重大,热膨胀区间较小;零膨胀微晶玻璃,其脆性大,加工难度大。这些特点严重限制了它们的实际应用,因此,亟待开发出一种轻质、高强的宽温区近零膨胀材料。

哈尔滨工业大学周畅、武高辉教授团队首次创新性地将增强体构型设计引入负热膨胀(NTE)颗粒增强Al基复合材料中,通过压力浸渗法成功制备了近零膨胀双连通钨酸锆铝基复合材料。相关研究成果发表在复合材料顶刊《Composites Part B: Engineering》上(Near-zero thermal expansion of ZrW2O8/Al–Si composites with three dimensional interpenetrating network structure)。钨酸锆的构型设计使复合材料中双相形成双连通结构,在增强体负热膨胀效应和双连通构型抑制热膨胀的双重耦合作用下,首次在宽温区内实现了近零膨胀。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108678

哈工大复合材料顶刊:首次在宽温区内实现了近零膨胀

钨酸锆作为一种典型的NTE材料,在极宽的温度范围内具有较大的负热膨胀系数(α=-8.1×10−6 K−1,-273°C至777°C)。在之前对ZrW2O8/Al的大量研究中,他们发现由于NTE- ZrW2O8和PTE-Al基体之间的热膨胀系数差异较大而产生的巨大热失配应力(~1Gpa)会使α- ZrW2O8(α=-8.1×10−6 K−1)转变为γ- ZrW2O8(高压相,α=-1×10−6 K−1),并且这个过程伴随有5%的体积膨胀,大量的γ- ZrW2O8显著降低了复合材料的热膨胀行为。此外,残余应力诱导产生严重的铸造缺陷,如微裂纹、空洞等,导致力学性能下降。

通过首次在负热膨胀颗粒中引入双连通的陶瓷骨架,可以大幅减少应力集中现象。使用针尖增强Raman表征发现双连通网络结构使复合材料中的热应力得以释放,γ相(高压相)含量大大降低。并且连续的陶瓷网络抑制了铝基体的膨胀,因此具有超低的热膨胀性能。在64%体积分数下,相较于颗粒增强ZrW2O8/Al复合材料,双连通ZrW2O8/Al复合材料的γ相(高压相)含量从68.1%下降到18.7%,在−50~120℃(ΔT=170°C)范围内热膨胀系数从3.21×10−6 K−1下降到1.09×10−6 K−1,在精密仪器领域具有广阔的应用前景。相关工作得到了黑龙江省头雁计划、中国博士后特别资助的大力支持。

哈工大复合材料顶刊:首次在宽温区内实现了近零膨胀

图1. a)b)不同放大倍数的ZrW2O8颗粒的SEM图像;c)d)55pZWAL和64pZWAL复合材料的抛光表面显微图,白色区域为ZrW2O8颗粒,黑色区域为铝基体;e)f)不同放大倍数的多孔ZrW2O8颗粒的SEM形貌;g)h)54iZWAL和64iZWAL双连通复合材料的抛光表面显微图复合材料;i)双连通ZrW2O8/Al复合材料的EDS图谱

哈工大复合材料顶刊:首次在宽温区内实现了近零膨胀

图2.a)55pZWAL的光学显微镜图像和示意图;b)55pZWAL的拉曼光谱;c)55pZWAL的应力分布示意图;d)e)54iZWAL中ZrW2O8内部拉曼连续点扫描图谱;g)h)54iZWAL中ZrW2O8内部到基体边界拉曼连续点扫描图谱;f)54iZWAL应力分布示意图

哈工大复合材料顶刊:首次在宽温区内实现了近零膨胀

图3. ZrW2O8/Al复合材料热处理前后的热膨胀曲线

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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