走近低熱膨脹材料

文 福建師范大學附屬中學 林云志

自然界中的物質都是由原子構成的。在固體物質中，每個原子都有固定的平衡位置，并圍繞平衡位置不斷振動。物質的溫度越高，原子振動越劇烈，所以這種振動也被稱為熱振動。高溫燙手就是原子熱振動和熱量傳導的結果。

隨著溫度上升，原子運動的振幅加大、勢能上升，原子之間的平衡距離也相應延長。大多數物質的單位體積都隨著溫度的上升而增大、隨著溫度的降低而收縮，稱為熱脹冷縮。

不同的物質熱膨脹的程度不一樣。在物理學中，定義溫度每上升1℃所產生的體積或長度的變化率為體膨脹系數或線膨脹系數。一般高分子物質如橡膠、樹脂等，線膨脹系數在10-3～10-5/℃的數量級。陶瓷的線膨脹系數相對較低，在10-5～10-7/℃。金屬的線膨脹系數介于常規的高分子物質和陶瓷之間（常溫時，金的線膨脹系數是14.2×10-6/℃，鎳的是 13×10-6/℃，鐵的是 12×10-6/℃）。在不同的溫度下，物質的熱膨脹系數會有所變化。

溫度對物質體積的影響也影響了人們的生活。比如，墻上的裂縫在冬天會更加明顯，建設大橋或鐵路軌道要預留縫隙——這就是我們坐火車時能聽到規律的“咔嚓”聲的原因。建造房子用的鋼筋水泥不僅考慮了鋼筋的韌性和水泥的強度，而且水泥的熱膨脹系數與鋼筋一樣，這樣就避免鋼筋和水泥因為熱脹冷縮而“互相傷害”了。

日常生活中，人們感受到的溫差通常只有幾十攝氏度，物質熱脹冷縮造成的影響比較小。但在一些高精密或溫差很大的應用領域，低熱膨脹材料有重要的應用。

例如，在太空中使用的器件其陽面和陰面的溫度差可達五六百攝氏度。一個部件既有在陽面的時候也有在陰面的時候，若高溫差產生的體積膨脹不均勻就會影響其指向精度和結構銜接。

有一種被稱為因瓦合金的鐵鎳合金，它在室溫下的平均線膨脹系數為0.88×10-6/℃，遠低于普通金屬材料，其體積對溫度的變化不敏感，是建造航天器的關鍵材料。

因瓦合金的低熱膨脹系數是由于鐵鎳合金在居里點（指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點）以下有大的自發體積磁致伸縮性能。升溫時，產生的磁致收縮抵消了鐵和鎳的正常點陣伸長，從而能在一定溫度范圍內獲得較低的熱膨脹率。

此外，因瓦合金也可用于超低溫液態天然氣（LNG）運輸船的密封倉鋪設等領域。

天然氣是國家正在推廣應用的清潔能源。天然氣的輸送方法是在-162℃的低溫下使氣體液化（體積降到氣態的1/600），再通過船或管道運輸。LNG不能直接裝在普通容器里，必須用低熱膨脹材料密封盛載并隔熱。這時便需要用到因瓦合金。

LNG運輸船目前只有美國、中國、日本、韓國和歐洲的少數幾個國家的十幾家船廠能夠建造。

在國防領域，隨著信息化、輕量化概念的發展，輕合金功能材料在武器裝備上的應用越來越多。例如，預警機、戰斗機的電子元器件散熱片需兼具高導熱和低熱膨脹的性能。為替代傳統的高密度的銅鎢合金散熱片，科學家們發明了低熱膨脹鋁基復合材料。鋁在室溫下的熱膨脹系數很高，將它與低熱膨脹的硅（熱膨脹系數為3.2×10-6/℃）在很小的微粒尺度上進行混合，制備成熱膨脹系數約為8×10-6/℃的大塊復合材料，使其與元器件的熱膨脹系數接近，將具有較好的散熱能力。

液態天然氣運輸船及使用因瓦合金鋪設的密封倉結構