再“熱”也不能膨脹

曹宜力　邢獻然

點點滴滴的負熱膨脹

在不同溫度下標準尺子的尺寸（以室溫為基準）

熱脹冷縮是大家熟知的自然現(xiàn)象，比如在空中漫步的五彩熱氣球，就是通過加熱氣球的內部空氣使其發(fā)生熱膨脹，使其比外部冷空氣具有更低的密度，作為浮力來使整體發(fā)生位移。然而，有時候熱膨脹也會給我們的生活帶來很大困擾。就拿大家經(jīng)常用來度量長度的鋼尺來說，在環(huán)境溫度升高時，尺子的熱脹冷縮往往使得測量值與真實值存在較大的誤差。比如，20厘米長的尺子會在525℃時約變?yōu)?0.15厘米，而在1025℃時會變成更長的20.30厘米，雖然看似是很小的變化，但對一些精密的發(fā)動機齒輪箱和密封環(huán)就有著至關重要的影響。如何才能保證測量值的精確性呢？這時，我們就需要找來一種相反的“熱縮冷脹”的負熱膨脹來幫忙。

那么負熱膨脹究竟是如何發(fā)揮作用的呢？科學家發(fā)現(xiàn)利用負熱膨脹作為補償劑可以與常規(guī)正熱膨脹復合，通過正、負熱膨脹材料在不同成分下混合，可以制備出實現(xiàn)具有特定熱膨脹行為的復合材料。這被廣泛應用在一些精密儀器中。比如智能手機等電子產品，它們的集成電路是以硅為主要材料的器件，在基底材料的選取上最重要的就是考慮選用與硅熱膨脹相匹配的金屬材料，否則在使用過程中，溫度過熱會導致集成電路和基底脫落，電子產品隨之失效;這些材料需要在溫度多變的環(huán)境里能夠維持原本的尺寸大小，不發(fā)生熱膨脹，這就是理想的零熱膨脹。而負熱膨脹就是實現(xiàn)這些材料熱膨脹的精準控制的前提，可以說，精密加工和控制工程離不開負熱膨脹。

隨著時代的發(fā)展，負熱膨脹材料面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，比如拓寬有效地使用溫度區(qū)間和使材料多功能化，等等。近些年，北京科技大學固體化學所所長邢獻然教授課題組率先發(fā)現(xiàn)鐵電材料——鈦酸鉛（PbTiO₃）基化合物中的負熱膨脹行為，通過對負熱膨脹的起因深入探究，提出了嶄新的鐵電材料制備方法，并獲得了世界首屈一指的鐵電性能，為實現(xiàn)負熱膨脹材料的多功能化奠定了基礎。此外還分別在陶瓷、合金、高分子和納米材料等材料中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了新穎的負熱膨脹行為。

熱膨脹和熱收縮原理示意圖

負熱膨脹如何產生

那這種“非常規(guī)”的負熱膨脹材料究竟是如何產生的呢？其實，這主要是源于材料內部原子之間的相互作用力。

一般來說，材料在受熱過程中，原子間的相互振動加劇，原子逐漸向遠離原本的平衡位置移動，從而使得體積逐漸增加，這就是“熱脹冷縮”的來源。那么要怎樣才能打破這種常規(guī)，產生負熱膨脹呢？迄今為止，我們發(fā)現(xiàn)產生負熱膨脹的主因有兩種：第一種是在一些磁性合金和電性陶瓷中，構成材料的結構基元的原子核外電子構型隨著溫度升高發(fā)生轉變，從而產生原子間化學鍵的轉變，造成體積收縮。這類材料往往具有優(yōu)異的磁學、電學或加工性能，有重要的實際應用價值;第二種是由于結構基元的原子之間較強的相互作用，改變了原子間原本相對自由的相互振動模式，也就是結構基元間會發(fā)生有規(guī)律的耦合扭轉，使得原本受熱相互遠離的結構基元反而逐漸靠攏，從而出現(xiàn)負熱膨脹。這類材料一般需要構成的原子間距之間具有較大的空洞便于結構基元的扭轉。

未來可期的負熱膨脹

目前，負熱膨脹已經(jīng)廣泛應用在我們的生活中，但是在某些關鍵的精密零部件制造上仍然存在很多挑戰(zhàn)。

外太空的氣溫變化很大，而且隨著空間位置的變化，溫度也會不一樣，所以我們對于航天器及衛(wèi)星防熱殼和承力殼的熱膨脹要求緊密匹配;為了減少事故的發(fā)生，我們需要防止航天飛機保溫瓦因連續(xù)的受熱受冷而失效脫落。另外，高鐵軌道網(wǎng)連接處往往會因為焊接材料和鐵軌本身的熱膨脹失配帶來軌道變形，因此需要選用熱膨脹匹配的材料，但目前對于高力學性能的熱膨脹匹配材料仍然比較缺乏。

特別值得一提的是，現(xiàn)在我們嘗試用來治療齲齒的牙床材料和骨骼重生的人造骨骼都需要與人體本身的骨骼相匹配熱膨脹系數(shù)的材料，這有助于人造牙齒和骨骼在經(jīng)受溫度變化時，依然能夠維持正常功能，不至于失效脫落。因此，開發(fā)對人體更加友好的負熱膨脹材料也是目前研究的方向之一。

（責任編輯/岳萌 美術編輯/周游）