金属胶水！实现材料膨胀系数调控及零膨胀材料的设计制造

大多数固体材料会随着温度的升高表现出膨胀行为，少数材料表现出负膨胀或零膨胀。在实际工程应用中，不适当的热膨胀总是导致零部件过早失效，因此需要具有不同热膨胀特性的材料来匹配复杂的应用场景。能够与环境温度相匹配并表现出有针对性的尺寸变化的材料在传感器、管道连接和牙齿填充物方面的应用具有重大前景。在精密仪器和光通信系统领域，部件需要在温度变化下保持尺寸稳定，以确保仪器的准确性并延长其使用寿命。迫切需要能够在温度变化时实现目标面积/体积变化的材料。然而，热膨胀性能是由材料的内在结构决定的，仅仅通过材料的选择很难满足复杂的应用环境。因此，能够实现对材料的热膨胀性能大范围且精确的调控将具有重大的工程意义。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/c/1fHXE8M-opwPXH

基于金属胶水这种便捷的复合材料制备路径，研究人员成功的制备了具有大范围可精确调控热膨胀性能的非晶合金基复合材料（图1）。研究人员首先通过MG与单质锌的复合，实现了复合材料热膨胀系数从9.6　ppm/K到34 ppm/K大范围内的连续调控。然后，通过非晶合金与高熵合金（Co20Cr20Fe20Ni20Mn20）复合，验证了非晶合金基复合材料在精确调控热膨胀性能方面的能力。最后，通过非晶合金与具有负热膨胀材料β-锂霞石的复合，实现了在宽温区内的近零膨胀，零膨胀区间为-50℃至200℃，近零膨胀系数为0.19 ppm/K，相比于现有零膨胀材料，在制备温度、制备效率等方面都展现出明显的优势。

图1. 非晶合金基复合材料的制备策略以及对热膨胀性能的调控

研究结果表明，由于非晶合金在过冷液相区优异的流动性，复合材料内部各组分的结合非常致密。界面处的高分辨结果显示为非晶衍射环与晶体亮斑的结合，界面处的能谱结果也验证了元素的相互扩散，证明金属胶水与添加物的结合非常牢固（图2）。

图2. 金属胶水与添加物的结合表征

图3.复合材料的抗热冲击测试

该研究得到了广东省基础与应用研究重大项目（2019B030302010）、国家自然科学基金（51871157，51971150）、国家重点研发计划项目（2018YFA0703604）等资助。