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