近日,东京理工学院(Scientists at Tokyo Institute of Technology)的科学家们合成了一种含有锆、硫、磷的晶体氧化物,它表现出独特的热膨胀特性可以解决复合材料(如芯片、基板组件)遇到的过热损坏问题。
目前大多数工业级材料的热膨胀系数(CTE)都是正的,因为受热时原子运动导致距离变大,材料会显示出膨胀性,这回使其在“极端”温度下表现不佳甚至失效。但也有少数材料具备相反的热膨胀特征,比如因瓦合金的负热膨胀。
东京理工科研团队负责人Toshihiro Isobe解释,“复热膨胀可以归因为相变和框架两种类型机制作用”,虽然都已有工业应用,但各有利弊。相变材料的负热膨胀系数大,但可用温域范围窄,限制了实际应用,特别是当其作为复合材料填料使用;而框架型材料虽然可以在较宽温域工作,但热膨胀系数绝对值小,因此作用效果往往不达预期。多年来,上述两者间隔的折中方案从未被报道过。
此次合成材料的分子式为Zr2SP2O12,Isobe博士将其描述为“一种负CTE材料,当加热时,它同时显示出相变和框架型两种机制。”具体来说,这种材料在不同温度下显示出不同机制为主导的特征。比如,在393K(约120℃)-453K(约180℃)之间,材料会迅速收缩变形,这是相变机制发生作用;而在这个区间之外,收缩不明显,研究人员在微观层面可以观察到原子之间距离和角度发生微小变化,这是框架机制的特征。
此外还有比较有趣的现象,研究人员发现尽各种硫原子含量较少时,晶体在相变温域下更易变形,从而材料具备更高的负CTE,这有助于合成具有特定需求CET的新型晶体。这意味着材料工程师可以根据特定需要合成特定晶体,以调整材料性能。
论文地址:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/tiot-nco121820.php
编译:YUXI