利用連續(xù)磁相變策略實(shí)現(xiàn)超寬溫區(qū)零熱膨脹 | 進(jìn)展

不同于常見的“熱脹冷縮”現(xiàn)象，零熱膨脹（Zero Thermal Expansion, ZTE）是固體材料一種引人入勝的性能，其顯著特征是材料體積在一定溫度范圍內(nèi)保持不變。眾所周知，普通材料因熱脹冷縮易產(chǎn)生熱應(yīng)力、形變甚至失效，而零熱膨脹材料可從本質(zhì)上抑制熱失配與結(jié)構(gòu)破壞，顯著提升器件的穩(wěn)定性、可靠性與使用壽命。在航空航天、精密光學(xué)、微電子與半導(dǎo)體、高精度傳感器等領(lǐng)域，零熱膨脹合金材料是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的保障。最早的零熱膨脹合金—因瓦合金，于1897年被發(fā)現(xiàn)，并在過去一個(gè)世紀(jì)中得到廣泛應(yīng)用。因瓦合金在室溫附近發(fā)生磁相變引發(fā)磁致伸縮效應(yīng)，該效應(yīng)與晶格熱膨脹抵消，從而在室溫附近表現(xiàn)出零熱膨脹。然而，這種單一磁相變誘發(fā)的零熱膨脹效應(yīng)，其溫度窗口較窄，不利于材料寬溫區(qū)應(yīng)用。探索突破寬溫區(qū)、高性能零熱膨脹材料的設(shè)計(jì)與制備新方法，不僅能夠推動(dòng)材料物性研究的創(chuàng)新發(fā)展，更能為國家重大工程與高端裝備的自主可控提供關(guān)鍵支撐，具有重要的科學(xué)價(jià)值與戰(zhàn)略應(yīng)用價(jià)值。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心龍有文研究員和潘昭副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)邢獻(xiàn)然教授團(tuán)隊(duì)，利用連續(xù)磁相變策略實(shí)現(xiàn)了超寬溫區(qū)零熱膨脹。通過高溫退火處理，在非化學(xué)計(jì)量比的kagome金屬(Hf,Ti)Fe???中實(shí)現(xiàn)了元素的非均勻分布，并由此構(gòu)建出多重磁有序。在Hf0.6Ti0.4Fe2.54材料中，連續(xù)磁相變產(chǎn)生了超寬溫區(qū)的零熱膨脹，其平均線性熱膨脹系數(shù)在112-525 K的超寬溫度范圍內(nèi)僅為 0.76×10?? K?1（低于2×10???K?1被認(rèn)為是零熱膨脹）。磁化強(qiáng)度測(cè)試、洛倫茲透射電鏡、中子粉末衍射與穆斯堡爾譜分析表明，反占位Fe原子引入了額外的磁交換相互作用并穩(wěn)定了磁有序結(jié)構(gòu)。在370 K附近發(fā)生自旋重取向；隨后，磁矩在470 K處急劇減小，并在525 K左右完全轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴４庞行蚺c聲子效應(yīng)之間的補(bǔ)償效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了跨越室溫的超寬溫區(qū)零熱膨脹。

該研究為理解金屬磁性材料中的非常規(guī)零熱膨脹行為提供了新思路，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Successive Magnetic Transitions Enable an Ultrawide Temperature Window of Zero Thermal Expansion in (Hf,Ti)Fe???”為題，發(fā)表在近期的J. Am. Chem. Soc. 148, 12119 (2026)上。文章第一作者是中國科學(xué)院物理研究所潘昭副研究員，北京科技大學(xué)周浩維博士以及物理所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生陳超為共同第一作者，通訊作者為物理所潘昭副研究員、龍有文研究員、北京科技大學(xué)固體化學(xué)研究所的曹宜力副教授和邢獻(xiàn)然教授。

該工作受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助。物理所葉旭斌副研究員、湖北大學(xué)王瑞龍教授以及日本同步輻射光源SPring-8的Shogo Kawaguchi博士等參與本工作。

圖：Hf?Ti?Fe合金的熱膨脹行為。(a) Hf0.6Ti0.4Fe2.54沿三個(gè)方向的線性熱膨脹曲線；(b) 中子粉末衍射測(cè)得的Hf0.6Ti0.4Fe2.54晶格參數(shù)隨溫度的變化；(c) Hf0.6Ti0.4Fe2.54 的同步輻射X射線衍射(110)與(112)衍射峰隨溫度的變化；(d) 傳統(tǒng)Laves相零熱膨脹材料的溫度窗口對(duì)比。

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