Journal of Materials Research & Technology:基于非晶合金的宽温区近零膨胀复合材料的设计

研究背景

当今社会在微电子、航空航天、精密仪器等领域的快速发展，要求功能元件等材料面临复杂的温度环境; 因此，材料的热膨胀系数 (CTE) 尤为关键。1896年, C.E. Guialme首次发现了Invar合金 (Fe0.64Ni0.36), Kainuma和Shiga等人指出，该合金在室温 (RT) 附近具有较低的CTE, 因此在一定温度范围内保持尺寸稳定。这种性质也被称为近零热膨胀 (NZTE) 或零热膨胀 (ZTE)。此外, 具有较低甚至接近零膨胀的材料可以确保组件和精密设备的稳定性, 并大大延长材料的耐用性, 这在微电子, 航空航天和精密仪器中显示出巨大的应用前景。

遗憾的是, NZTE材料在自然界极为罕见。现有的NZTE材料大多以复合材料为主，且大多密度大、力学性能差、温度范围窄。开发一种简单有效的方法成功获得综合性能优异的NZTE材料, 对于解决上述问题具有重要意义。

图文解读

非晶合金又称金属玻璃 (MG), 首次被发现于上世纪60年代。因其具有优异的强度、热塑性以及较低的CTE等等性能而在电子、机械等领域拥有着广阔的应用前景。值得注意的是, MG独特的热塑性成型能力使其能够在过冷液体区 (SLR) 通过加载一定压力下, 从而成型为各种复杂的结构。其中SLR温度通常明显低于传统金属的熔点。本研究基于金属玻璃 (MG) 优异的结合和在SLR的超塑性, 将不同体积比的Zr-based MG与具有负热膨胀 (NTE) 的beta-LiAlSiO4 (beta-LAS) 结合, 获得了热膨胀系数可调的NZTE复合材料。

图1. MG/beta-LAS复合材料的制备和结合质量表征

图2. MG/beta-LAS复合材料力学性能的调控

通过扫描电子显微镜 (SEM)、透射电子显微镜 (TEM)、能谱分析 (EDS)、X射线衍射 (XRD) 以及高分辨率计算机层析扫描仪 (CT) 的表征下 (图1-2)，可以发现复合材料内部MG和beta-LAS具有良好结合, 并且MG保持了完全非晶态。因此, 可以相信这个复合材料的机械和热膨胀性能肯定会受益于MG和beta-LAS的良好结合。特别的，当beta-LAS体积比为20%、40%、50%、60%和80%时, 复合材料的压应力分别为673、500、436、320和191 MPa。这些结果表明, 本文复合材料的力学性能是可以调节的, 从而满足各种情况。

图3. MG/beta-LAS复合材料热膨胀性能及其调控

在150-700 K的温度范围内, 通过添加20、40和50 vol. % 的MG获得了NZTE的性能，其线性CTE分别为0.221、0.693和1.587 ppm/K (图3)。此外, 本文的NZTE复合材料表现出非常轻微的滞后现象, 在不同温度下的力学性能也相对稳定。与大多数NZTE材料相比, 本文在制备温度和温度范围方面具有显着优势。

图4. 热循环后MG/beta-LAS复合材料的界面结合形态

经过50次循环, MG/beta-LAS复合材料内部出现了微裂纹。复合材料在循环80次后出现裂纹, 循环110次后出现明显断裂 (图4)。故, MG体积比为50%的MG/beta-LAS复合材料具有优异的抗热冲击性, 并且可以承受不少于80次的热循环试验。

图5. 各种NZTE零部件及对应的SEM图像

各种NZTE零部件的制备 (图5), 证明了由MG/beta-LAS复合材料制备的NZTE复合材料具有优异的形状灵活性和加工能力, 具有很大的工程应用前景。

文章总结

本研究设计了一种通用且有效的策略来制造金属玻璃基复合材料，该复合材料在非常宽的温度区域内具有高压缩强度和NZTE性能, 同时实现了对CTE和压应力的调节。由于MG在过冷液相区中具有良好的结合和成形能力，制备的复合材料的相对密度超过95.5%。利用这一策略, 在150-700 K的温度范围内, 通过添加20、40和50 vol. %的MG获得了NZTE的性能, 其线性CTE分别为0.221、0.693和1.587 ppm/K。这三种配比的NZTE复合材料的压应力分别为191、320和436 MPa。通过改变MG和beta-LAS的体积比含量, 实现了CTE和压应力的调节, 这表明制备性能良好的NZTE复合材料可以从费力的搜索过程转变为可定制的过程。此外, 抗热冲击结果表明, 该复合材料可以承受不少于80次的热循环测试, 并且制造的各种NZTE零部件证明了所提出策略的灵活性。因此, 该研究提供了综合性能良好的NZTE复合材料, 在卫星通信、微电子和精密仪器应用中展现出重要的前景。

硕士研究生黄世科为第一作者、马将教授和阮文清副研究员为共同通讯作者。以上研究成果以“Design of near-zero thermal expansion composites with superior mechanical properties in a wide temperature region ”为题发表在 材料领域中科院一区TOP期刊Journal of Materials Research and Technology。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

Shike Huang, Jiang Ma*, et al. Journal of Materials Research and Technology, 2023, doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.06.097.

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423013455