??　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員童鵬課題組在金屬負(fù)熱膨脹（Negative thermal expansion, NTE）材料研究方面取得新進(jìn)展。研究人員通過(guò)調(diào)控Laves相合金Hf1-xTaxFe2的化學(xué)組成，獲得了兼具優(yōu)異熱學(xué)、力學(xué)性能和室溫下寬溫區(qū)、大NTE系數(shù)的新材料。相關(guān)研究成果以全文形式發(fā)表于Acta Materialia (Acta Mater., 161, 258-265 (2018))，并申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01810920668.6）。

　　精密光學(xué)儀器、航空航天、低溫工程、微電子器件等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)材料的尺寸熱穩(wěn)定性提出了苛刻的要求。然而，由于內(nèi)稟的原子非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，大多數(shù)固體材料呈現(xiàn)出“熱脹冷縮”現(xiàn)象，導(dǎo)致材料尺寸隨環(huán)境溫度變化而變化，嚴(yán)重影響了儀器設(shè)計(jì)精度和功能；長(zhǎng)期往復(fù)溫度循環(huán)還會(huì)導(dǎo)致微觀應(yīng)力集中，縮短材料與器件的使用壽命。NTE材料則呈現(xiàn)出“熱縮冷脹”現(xiàn)象，為調(diào)控材料膨脹系數(shù)、提高材料尺寸熱穩(wěn)定性提供了契機(jī)。將NTE材料與通常的正熱膨脹（positive thermal expansion, PTE）材料進(jìn)行復(fù)合，可有效抑制PTE材料的熱膨脹甚至實(shí)現(xiàn)零膨脹。但就實(shí)際應(yīng)用而言，負(fù)膨脹材料除了需擁有優(yōu)異的NTE性能外，還需要兼具良好的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。目前已有的NTE材料體系難以同時(shí)兼顧上述性能。

　　Laves相合金Hf1-xTaxFe2在x ~ 0.16 – 0.22組分范圍內(nèi)具有陡峭的鐵磁-反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變，并伴隨著劇烈的晶格體積收縮（體積收縮率達(dá)ΔV/V ~ 1%）。由于上述磁-晶格耦合效應(yīng)，該類(lèi)材料呈現(xiàn)出豐富磁熱、磁致伸縮、磁電阻現(xiàn)象，引起了科研人員的極大關(guān)注。然而，該相變溫區(qū)僅有幾個(gè)K，無(wú)法作為NTE材料而獲得實(shí)際應(yīng)用。最近該課題組通過(guò)減小Ta的含量，成功地將Hf1-xTaxFe2陡變的體積收縮展寬為連續(xù)的體積變化，并且將其移動(dòng)至室溫附近，從而獲得了室溫下寬溫區(qū)、大NTE系數(shù)新材料。例如，x= 0.13時(shí)，Hf0.87Ta0.13Fe2在寬達(dá)105 K（222 K - 327 K）的溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出NTE現(xiàn)象，其線性NTE系數(shù)αL = -16.3 ppm/K（圖1a）。該NTE性能與文獻(xiàn)報(bào)道的反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氮化物、La-Fe-Si等金屬NTE材料相當(dāng)。與展寬的NTE相對(duì)應(yīng)的不再是鐵磁-反鐵磁轉(zhuǎn)變，而是鐵磁-順磁相變。電子順磁共振譜研究表明，NTE溫區(qū)展寬與2a和6h位置的Fe原子磁矩在鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變處的非同步效應(yīng)密切相關(guān)（圖1d）。

　　相比現(xiàn)有的金屬NTE材料，Hf1-xTaxFe2具有更為優(yōu)異的電導(dǎo)、熱導(dǎo)性能（圖1b）。不僅如此，最優(yōu)NTE組分Hf0.87Ta0.13Fe2的壓縮強(qiáng)度接近400 MPa，楊氏模量高達(dá)223GPa（圖1c），維氏硬度（882 HV）更是數(shù)倍于已知NTE材料體系對(duì)應(yīng)值。優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)性能使得Hf1-xTaxFe2在調(diào)控PTE材料的膨脹系數(shù)同時(shí)，也可以提高基體的抗熱震能力和機(jī)械性能，使其在精密光學(xué)儀器、航空航天等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　該工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。