Международная команда ученых разработала уникальный сплав из четырех химических элементов, который практически на расширяется при нагревании. Материал представляет особый интерес в областях применения с экстремальными температурными колебаниями, например, в авиации и космосе.
Инвар. Серебристо-серый сплав железа и никеля. Википедия
Большинство металлов расширяются при повышении температуры. Например, Эйфелева башня летом примерно на 10-15 сантиметров выше, чем зимой, из-за теплового расширения. Однако этот эффект крайне нежелателен для многих технических применений.Ученые давно ищут материалы, которые практически не меняют размеров независимо от температуры. Это, например, инвар, сплав железа и никеля, известен своим чрезвычайно низким тепловым расширением. Но как это свойство можно объяснить физически, до сих пор было не совсем понятно.
Исследователи из Технического университета Вены и Университета науки и технологий Пекина решили проблему. С помощью сложного компьютерного моделирования им удалось детально изучить эффект инвара и разработать так называемый пирохлорный магнит — сплав, который обладает даже лучшими свойствами теплового расширения, чем инвар. В чрезвычайно широком диапазоне температур, превышающем 400 градусов, его размеры изменяется всего лишь на одну десятитысячную часть на каждый градус. Исследование опубликовано в журнале National Science Review.
Что сдерживает тепловое расширение
Коэффициент теплового расширения сплавов железа/никель в зависимости от процентного содержания никеля. Ярко выраженный минимум при концентрации никеля 36%. Это и есть инвар.Википедия
«Чем выше температура в материале, тем больше атомы перемещаются, а когда атомы перемещаются, им требуется больше места. Среднее расстояние между ними увеличивается», — объясняет соавтор работы доктор Сергей. — «Этот эффект лежит в основе теплового расширения, и предотвратить его невозможно. Но можно создать материалы, в которых он почти точно уравновешивается другим, компенсирующим эффектом».
Доктор Хмелевский и его команда разработали сложные компьютерные симуляции, которые можно использовать для анализа поведения магнитных материалов на атомном уровне. «Это позволило нам лучше понять причину, по которой инвар практически не расширяется», — говорит доктор Хмелевский. — «Эффект обусловлен тем, что некоторые электроны меняют свое состояние при повышении температуры. Магнитный порядок в материале уменьшается, заставляя материал сжиматься. Этот эффект почти полностью компенсирует обычное тепловое расширение».
Пирохлорный магнит
(a) Структура (Zr,Nb)Fe2Coy с четырьмя двугранными плоскостями кагома; (b) Альтернативный вид кубической кристаллической структуры (Zr,Nb)Fe2Coy в решетке пирохлора; © Результат SXRD для y = 0,1 при 300 K; (d) EDS элементное картирование y = 0,1; (e) HAADF-STEM изображение вдоль оси зоны [110] для y = 0.1; (f) STEM-изображения и EELS-картирование вдоль оси [110] зоны y = 0,1; (g) Увеличенный вид желтой пунктирной области в (e), вставка показывает модель кубической структуры; (h) Профили интенсивности вдоль направлений, отмеченных зеленой и синей стрелками в (g), соответственно.
National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae462
Чтобы проверить свою теорию доктор Хмелевский работал вместе с экспериментальной группой профессора Сянрана Синга и доцента Йили Цао из Института химии твердого тела Пекинского университета науки и технологий. Результат этого сотрудничества уже представлен: это так называемый пирохлоровый магнит.
В отличие от предыдущих инварных сплавов, состоящих только из двух различных металлов, пирохлорный магнит состоит из четырех компонентов: цирконий, ниобий, железо и кобальт. «Это материал с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур», — говорит Цао.
Такое удивительное температурное поведение связано с тем, что материал не имеет идеальной кристаллической решетки, которая всегда повторяется абсолютно одинаково. Состав материала неоднороден. Некоторые участки содержат чуть больше кобальта, некоторые — чуть меньше.
Обе подсистемы по-разному реагируют на изменение температуры. Это позволяет сбалансировать состав материала в каждой точке таким образом, что общее температурное расширение практически равно нулю.
Материал представляет особый интерес в областях применения с экстремальными температурными колебаниями или точными методами измерения, например, в авиации, аэрокосмической промышленности или в высокоточных электронных компонентах.