Отрицательное тепловое расширение - Negative thermal expansion

Отрицательное тепловое расширение (NTE) необычный физико-химический Процесс, при котором некоторые материалы сжимаются при нагревании, а не расширяются, как большинство других материалов. Самый известный материал с NTE - это воды при 0 ~ 4 ° C. Материалы, которые подвергаются NTE, имеют ряд потенциальных возможностей. инженерное дело, фотонный, электронный, и структурный Приложения. Например, если смешать материал с отрицательным тепловым расширением с «нормальным» материалом, который расширяется при нагревании, можно было бы использовать его как тепловое расширение компенсатор, позволяющий формировать композиты с индивидуальным или даже близким к нулю тепловым расширением.

Причина отрицательного теплового расширения

Существует ряд физических процессов, которые могут вызывать сжатие при повышении температуры, в том числе поперечные колебательные моды, Режимы жесткого устройства и фазовые переходы.

Недавно Liu et al.[1] показали, что явление ЯЭ происходит из-за существования конфигураций малого объема с высоким давлением и более высокой энтропией, причем их конфигурации присутствуют в стабильной фазовой матрице за счет тепловых флуктуаций. Они смогли предсказать как колоссальное положительное тепловое расширение (в церии), так и нулевое и бесконечное отрицательное тепловое расширение (в церии). Fe
3Pt).[2] Альтернативно, большое отрицательное и положительное тепловое расширение может быть результатом конструкции внутренней микроструктуры.[3]

Отрицательное тепловое расширение в плотно упакованных системах

Отрицательное тепловое расширение обычно наблюдается в неплотноупакованных системах с направленными взаимодействиями (например, лед, графен и т. д.) и комплексные соединения (например, Cu
2О, ZrW
2О
8, бета-кварц, некоторые цеолиты и др.). Однако в статье[4] было показано, что отрицательное тепловое расширение (НТР) реализуется также в однокомпонентных плотноупакованных решетках с парными центральными силовыми взаимодействиями. Следующее достаточное условие потенциальной возможности возникновения ЯЭ предлагается для межатомный потенциал, , на равновесном расстоянии :

Где является сокращением для третьей производной межатомного потенциала в точке равновесия:

Это условие (i) необходимо и достаточно в 1D и (ii) достаточно, но не обязательно в 2D и 3D. Примерный необходимое и достаточное условие выводится в статье[5]

куда - размерность пространства. Таким образом, в 2D и 3D отрицательное тепловое расширение в плотноупакованных системах с парными взаимодействиями реализуется даже тогда, когда третья производная потенциала равна нулю или даже отрицательна. Отметим, что одномерный и многомерный случаи качественно различаются. В 1D тепловое расширение вызвано ангармонизмом межатомный потенциал Только. Следовательно, знак коэффициента теплового расширения определяется знаком третьей производной потенциала. В многомерном случае присутствует и геометрическая нелинейность, т.е. колебания решетки нелинейны даже в случае гармонического межатомного потенциала. Эта нелинейность способствует тепловому расширению. Следовательно, в многомерном случае оба и присутствуют в условиях отрицательного теплового расширения.

Материалы

Возможно, одним из наиболее изученных материалов, демонстрирующих отрицательное тепловое расширение, является вольфрамат циркония (ZrW
2О
8). Это соединение непрерывно сжимается в диапазоне температур от 0,3 до 1050 К (при более высоких температурах материал разлагается).[6] Другие материалы, демонстрирующие поведение NTE, включают других членов группы ЯВЛЯЮСЬ
2О
8 семейство материалов (где A = Zr или же Hf, M = Пн или же W) и HfV
2О
7 и ZrV
2О
7, хотя HfV
2О
7 и ZrV
2О
7 только в их высокотемпературной фазе от 350 до 400 K.[7] А
2(МО
4)
3 также является примером контролируемого отрицательного теплового расширения. Кубический материалы, такие как ZrW
2О
8 а также HfV
2О
7 и ZrV
2О
7 особенно ценны для приложений в машиностроении, потому что они демонстрируют изотропный NTE, то есть NTE одинакова во всех трех размеры что упрощает их применение в качестве компенсаторов теплового расширения.[8]

Обычный лед показывает ЯЭ в гексагональной и кубической фазах при очень низких температурах (ниже –200 ° C).[9] В жидком виде чистый воды также показывает отрицательное тепловое расширение ниже 3,984 ° C.

ALLVAR, сплав на основе титана, демонстрирует NTE в широком диапазоне температур с мгновенным коэффициентом теплового расширения -30 ppm / ° C при 20 ° C.[10]

Эластичность резины показывает ЯЭ при нормальных температурах, но причина этого эффекта сильно отличается от таковой в большинстве других материалов. Проще говоря, когда длинные полимерные цепи поглощают энергию, они принимают более искривленную конфигурацию, уменьшая объем материала.[11]

Углеродные волокна показывают NTE между 20 ° C и 500 ° C. [12] Это свойство используется в аэрокосмических приложениях с жесткими допусками для адаптации КТР компонентов из пластика, армированного углеродным волокном, для конкретных применений / условий путем регулирования соотношения углеродного волокна к пластику и регулировки ориентации углеродных волокон внутри детали.

Кварц (SiO
2), и ряд цеолитов также демонстрируют ЯЭ в определенных температурных диапазонах.[13][14] Достаточно чистый кремний (Si) имеет отрицательный коэффициент теплового расширения для температур от 18 до 120 К.[15]Кубический Трифторид скандия обладает этим свойством, которое объясняется четвертой частотой колебаний фторид-ионов. Энергия, запасенная в деформации изгиба фторид-иона, пропорциональна четвертой степени угла смещения, в отличие от большинства других материалов, где она пропорциональна квадрату смещения. Атом фтора связан с двумя атомами скандия, и при повышении температуры фтор колеблется более перпендикулярно своим связям. Это сближает атомы скандия по всему материалу, и он сжимается.[16] ScF
3 проявляет это свойство от 10 до 1100 К, выше которого наблюдается нормальное положительное тепловое расширение.[17] Сплавы с памятью формы, такие как NiTi, представляют собой новый класс материалов, которые демонстрируют нулевое и отрицательное тепловое расширение.[18][19]

Приложения

Формирование составной материала с (обычным) положительным тепловым расширением с материалом с (аномальным) отрицательным тепловым расширением может позволить адаптировать тепловое расширение композитов или даже иметь композиты с тепловым расширением, близким к нулю. Таким образом, отрицательное и положительное тепловое расширение компенсируют друг друга до определенной степени, если температура изменено. Пошив комбинезона коэффициент теплового расширения (CTE) до определенного значения может быть достигнуто путем изменения объем доли различных материалов, способствующие тепловому расширению композита.[8][20]

В частности, в технике существует потребность в материалах с КТР, близким к нулю, то есть с постоянными характеристиками в широком диапазоне температур, например. для применения в точных приборах. Но и в быту требуются материалы с КТР, близким к нулю. Стеклокерамика варочные панели подобно Ceran варочные панели должны выдерживать большие температуры градиенты и быстрые перепады температуры при Готовка потому что только некоторые части варочных панелей будут нагреваться, в то время как другие части останутся близко к температура окружающей среды. В целом за счет своего хрупкость перепады температуры в стекле могут вызвать трещины. Однако стеклокерамика, используемая в варочных панелях, состоит из нескольких различных фаз, некоторые из которых имеют положительное, а другие отрицательное тепловое расширение. Расширение различных фаз компенсирует друг друга, так что объем стеклокерамики не сильно изменяется в зависимости от температуры и предотвращается образование трещин.

Примером повседневной жизни потребности в материалах с заданным тепловым расширением являются: пломбы. Если пломбы имеют тенденцию расширяться на величину, отличную от зубы, например, при употреблении горячего или холодного напитка это может вызвать зубная боль. Однако, если зубные пломбы сделаны из композитный материал содержащего смесь материалов с положительным и отрицательным тепловым расширением, тогда общее расширение может быть точно согласовано с эмаль зубов.

Рекомендации

  1. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван, Йи; Шан, Шунь-Ли (2011). «Происхождение явления отрицательного теплового расширения в твердых телах». Scripta Materialia. 65 (8): 664–667. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2011.07.001.
  2. ^ Лю, Цзы-Куи; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией». Научные отчеты. 4: 7043. Bibcode:2014НатСР ... 4Э7043Л. Дои:10.1038 / srep07043. ЧВК  4229665. PMID  25391631.
  3. ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель; Миссерони, Диего (2019). «Микроструктурированная среда с большим изотропным отрицательным тепловым расширением». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 475 (2232): 7043. Bibcode:2019RSPSA.47590468C. Дои:10.1098 / rspa.2019.0468. ЧВК  6936614. PMID  31892835.
  4. ^ Rechtsman, M.C .; Стиллинджер, F.H .; Торквато, С. (2007), "Отрицательное тепловое расширение в однокомпонентных системах с изотропными взаимодействиями", Журнал физической химии A, 111 (49): 12816–12821, arXiv:0807.3559, Bibcode:2007JPCA..11112816R, Дои:10.1021 / jp076859l, PMID  17988108, S2CID  8612584
  5. ^ Кузькин, Виталий А. (2014), "Комментарий к" Отрицательному тепловому расширению в однокомпонентных системах с изотропными взаимодействиями ".'", Журнал физической химии A, 118 (41): 9793–4, Bibcode:2014JPCA..118.9793K, Дои:10.1021 / jp509140n, PMID  25245826
  6. ^ Мэри, Т. А .; Evans, J. S. O .; Vogt, T .; Sleight, A. W. (1996). «Отрицательное тепловое расширение от 0,3 до 1050 Кельвина на дюйм. ZrW
    2    О
    8    ". Наука. 272 (5258): 90–92. Bibcode:1996Научный ... 272 ​​... 90М. Дои:10.1126 / science.272.5258.90. S2CID  54599739.
  7. ^ Хисашигэ, Тецуо; Ямагути, Теппеи; Цудзи, Тошихидэ; Ямамура, Ясухиса (2006). «Фазовый переход твердых растворов Zr1-xHfxV2O7, имеющих отрицательное тепловое расширение». Журнал Японского керамического общества. 114 (1331): 607–611. Дои:10.2109 / jcersj.114.607. ISSN  0914-5400.
  8. ^ а б Голубь, Мартин Т; Фанг, Хун (2016-06-01). «Отрицательное тепловое расширение и связанные с ним аномальные физические свойства: обзор теоретических основ динамики решетки». Отчеты о достижениях физики. 79 (6): 066503. Bibcode:2016RPPh ... 79f6503D. Дои:10.1088/0034-4885/79/6/066503. ISSN  0034-4885. PMID  27177210.
  9. ^ Röttger, K .; Эндрисс, А .; Ihringer, J .; Дойл, S .; Кухс, В. Ф. (1994). «Постоянные решетки и тепловое расширение ЧАС
    2    О     и D
    2    О     ice Ih между 10 и 265 K ". Acta Crystallographica Раздел B. 50 (6): 644–648. Дои:10.1107 / S0108768194004933.
  10. ^ Монро, Джеймс А. (10 июля 2018 г.). Наварро, Рамон; Гейл, Роланд (ред.). «Сплавы ALLVAR с отрицательным тепловым расширением для телескопов». Достижения в оптических и механических технологиях для телескопов и приборов II. III: 26. Bibcode:2018SPIE10706E..0RM. Дои:10.1117/12.2314657. ISBN  9781510619654. S2CID  140068490.
  11. ^ «Нагревание резинки: отрицательный коэффициент теплового расширения | Лекционные демонстрации». Berkeleyphysicsdemos.net. Получено 2015-05-10.
  12. ^ Kude, Y .; Сода, Ю. (1997). «Терморегулирование углерод-углеродных композитов с помощью метода функционально-градиентного расположения волокон». В Сиоте, Ичиро; Миямото, Ёсинари (ред.). Функционально классифицированные материалы 1996. Elsevier Science B.V., стр. 239–244. Дои:10.1016 / B978-044482548-3 / 50040-8. ISBN  9780444825483. Получено 17 сентября 2020.
  13. ^ Лайтфут, Филипп; Вудкок, Дэвид А .; Мэйпл, Мартин Дж .; Вильяэскуса, Луис А .; Райт, Пол А. (2001). «Широкое распространение отрицательного теплового расширения цеолитов». Журнал химии материалов. 11: 212–216. Дои:10.1039 / b002950p.
  14. ^ Аттфилд, Мартин П. (1998). «Сильное отрицательное тепловое расширение в кремнистом фожазите». Химические коммуникации (5): 601–602. Дои:10.1039 / A707141H.
  15. ^ Буллис, В. Мюррей (1990). "Глава 6". В O'Mara, William C .; Селедка, Роберт Б .; Хант, Ли П. (ред.). Справочник по технологии полупроводникового кремния. Парк-Ридж, Нью-Джерси: Нойес Публикации. п. 431. ISBN  978-0-8155-1237-0. Получено 2010-07-11.
  16. ^ Ву, Маркус (7 ноября 2011 г.). «Невероятно усаживающийся материал: инженеры показали, как трифторид скандия сжимается при нагревании». Physorg. Получено 8 ноября 2011.
  17. ^ Греве, Бенджамин К .; Кеннет Л. Мартин; Питер Л. Ли; Питер Дж. Чупас; Карена В. Чепмен; Ангус П. Уилкинсон (19 октября 2010 г.). "Выраженное отрицательное тепловое расширение от простой конструкции: кубическая ScF
    3    ". Журнал Американского химического общества. 132 (44): 15496–15498. Дои:10.1021 / ja106711v. PMID  20958035.
  18. ^ Röttger, K .; Эндрисс, А .; Ihringer, J .; Дойл, S .; Кухс, В. Ф. (1994). «Константы решетки и тепловое расширение льда H2O и D2O Ih между 10 и 265 K». Acta Crystallographica Раздел B. 50 (6): 644–648. Дои:10.1107 / S0108768194004933.
  19. ^ Ahadi, A .; Matsushita, Y .; Sawaguchi, T .; Sun, Q.P .; Цучия, К. (2017). "Происхождение нулевого и отрицательного теплового расширения в сильно деформированном сверхупругом Ni Ti сплав ». Acta Materialia. 124: 79–92. Дои:10.1016 / j.actamat.2016.10.054.
  20. ^ Такенака, Коши (февраль 2012 г.). «Материалы с отрицательным тепловым расширением: технологический ключ для контроля теплового расширения». Наука и технология перспективных материалов. 13 (1): 013001. Bibcode:2012STAdM..13a3001T. Дои:10.1088/1468-6996/13/1/013001. ISSN  1468-6996. ЧВК  5090290. PMID  27877465.

дальнейшее чтение

  • Miller, W .; Smith, C.W .; MacKenzie, D. S .; Эванс, К. Э. (2009). «Отрицательное тепловое расширение: обзор». Журнал материаловедения. 44 (20): 5441–5451. Bibcode:2009JMatS..44.5441M. Дои:10.1007 / s10853-009-3692-4. S2CID  137550622.
  • Li, J .; Yokochi, A .; Amos, T. G .; Sleight, A. W. (2002). «Сильное отрицательное тепловое расширение по связи O-Cu-O в CuScO2». Химия материалов. 14 (6): 2602–2606. Дои:10,1021 / см 011633v.
  • Noailles, L.D .; Peng, H.-h .; Старкович, Дж .; Данн, Б. (2004). «Термическое расширение и фазообразование ZrW
    2    О
    8     Аэрогели ». Химия материалов. 16 (7): 1252–1259. Дои:10,1021 / см 034791q.
  • Гжечник, А .; Crichton, W.A .; Syassen, K .; Адлер, П .; Мезуар, М. (2001). "Новый преобразователь ZrW
    2    О
    8     Синтезирован при высоких давлениях и высоких температурах ». Химия материалов. 13 (11): 4255–4259. Дои:10,1021 / см011126d.
  • Sanson, A .; Rocca, F .; Dalba, G .; Fornasini, P .; Grisenti, R .; Dapiaggi, M .; Артиоли, Г. (2006). «Отрицательное тепловое расширение и локальная динамика в Cu
    2    О     и Ag
    2    О    ". Физический обзор B. 73 (21): 214305. Bibcode:2006PhRvB..73u4305S. Дои:10.1103 / PhysRevB.73.214305.
  • Bhange, D. S .; Рамасвами, Веда (2006). «Отрицательное тепловое расширение в силикалите-1 и силикалите циркония-1, имеющих структуру MFI». Бюллетень материаловедения. 41 (7): 1392–1402. CiteSeerX  10.1.1.561.4881. Дои:10.1016 / j.materresbull.2005.12.002.
  • Лю, З.-К .; Ван, Йи; Шан, С.-Л. (2011). «Происхождение отрицательного теплового расширения в твердых телах». Scripta Materialia. 65 (8): 664–667. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2011.07.001.