Applied Materials Today 基于金属胶水的材料膨胀系数调控及零膨胀材料的设计制造

研究背景：

大多数固体材料会随着温度的升高表现出膨胀行为，少数材料表现出负膨胀或零膨胀。在实际工程应用中，不适当的热膨胀总是导致零部件过早失效，因此需要具有不同热膨胀特性的材料来匹配复杂的应用场景。能够与环境温度相匹配并表现出有针对性的尺寸变化的材料在传感器、管道连接和牙齿填充物方面的应用具有重大前景。在精密仪器和光通信系统领域，部件需要在温度变化下保持尺寸稳定，以确保仪器的准确性并延长其使用寿命。迫切需要能够在温度变化时实现目标面积/体积变化的材料。然而，热膨胀性能是由材料的内在结构决定的，仅仅通过材料的选择很难满足复杂的应用环境。

因此，能够实现对材料的热膨胀性能大范围且精确的调控将具有重大的工程意义。

图文解读：

深圳大学研究团队提出了一种利用非晶合金（又称金属玻璃）独特的热塑性，将其作为金属胶水来制备性能可调控的复合材料的新策略（详细了解请访问：https://www.bmgforming.com/research-express/4576.html）。近日，基于该策略，他们将非晶合金金属胶水与不同热膨胀系数的添加物（单质锌，高熵合金，β-锂霞石）进行复合，从而实现了热膨胀性能可调控的高性能金属复合材料的设计及制备。

图1. 非晶合金基复合材料的制备策略以及对热膨胀性能的调控

基于金属胶水这种便捷的复合材料制备路径，研究人员成功的制备了具有大范围可精确调控热膨胀性能的非晶合金基复合材料（图1）。 研究人员首先通过MG与单质锌的复合，实现了复合材料热膨胀系数从9.6　ppm/K到34 ppm/K大范围内的连续调控。然后，通过非晶合金与高熵合金（Co₂₀Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Mn₂₀）复合，验证了非晶合金基复合材料在精确调控热膨胀性能方面的能力。最后，通过非晶合金与具有负热膨胀材料β-锂霞石的复合，实现了在宽温区内的近零膨胀，零膨胀区间为-50℃至200℃，近零膨胀系数为0.19 ppm/K，相比于现有零膨胀材料，在制备温度、制备效率等方面都展现出明显的优势。

图2. 金属胶水与添加物的结合表征

研究结果表明，由于非晶合金在过冷液相区优异的流动性，复合材料内部各组分的结合非常致密。界面处的高分辨结果显示为非晶衍射环与晶体亮斑的结合，界面处的能谱结果也验证了元素的相互扩散，证明金属胶水与添加物的结合非常牢固（图2）。

图3.复合材料的抗热冲击测试

作者还进行了不同体系复合材料的抗热冲击能力测试（图3）。结果表明，虽然非晶合金与单质锌的热匹配能力较差，但MG-Zn复合材料仍然具有不低于60次的抗热冲击寿命。而非晶合金由于与高熵合金的热膨胀性能较为接近，MG-HEA复合材料在经历90次热循环冲击后，依然没有任何的裂纹产生。MG与β-LAS的近零膨胀复合材料同样具有优异的抗热冲击能力，能够经历不少于60次的热循环测试。

文章总结：

该成果以 “Metallic Glass Based Composites with Precise Tunable Thermal Expansion”为题在线发表于Applied Materials Today. 博士研究生孙飞为第一作者，马将教授为通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用研究重大项目（2019B030302010）、国家自然科学基金（51871157，51971150）、国家重点研发计划项目（2018YFA0703604）等资助。

论文信息：

Fei Sun，Jiang Ma*, et al. Applied Materials Today，2022，doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101565．论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1fHXE8M-opwPXH．