超低膨胀合金及复合材料研究可编辑.docx

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超低膨胀合金及复合材料研究可编辑

超低膨胀合金及复合材料研究

钢铁研究总院

博士学位论文

超低膨胀合金及复合材料的研究

姓名:

王鑫

申请学位级别:

博士

专业:

材料学

指导教师:

王新林;张建福

20090501摘要

在高精度光学仪器、光栅、微波谐振腔等精密仪器仪表中,元件尺寸精度直

接影响仪器的精确度,要求元件尺寸随温度变化很小。

出于高精度仪器对超低膨

胀系数材料的需求,本文制备了合金以及/复合材料,

并对其热膨胀性能及组织进行了研究。

首先研究了..、.、.、.合金,发现对所

有的..合金,在经过适当温度固溶后,都能获得.℃

的线平均热膨胀系数。

通过观察到在...合金中有

析出物。

当固溶温度由℃增加到℃,...合

金的膨胀系数下降,合金中的析出物减少并且尺寸增大。

当固溶温度为℃

时,析出物完全溶解,合金的膨胀系数又显著增大。

因而随着固溶温度增加,

合金的膨胀系数出现一个最小值。

为保证获得稳定的低膨胀系数,对合金先在

℃进行的固溶处理,然后进行高温时效处理并于℃低温时效处理

在。

和。

进行时效处理时合金的.℃为..×勺℃,在

℃进行时效处理时合金的..达到.×竹℃。

改进了固相法制备的方法,减少了高温反应时间,得到了高纯度的

并采用该方法首次通过固相法成功制备了。

在中

含量小于.%时,能保持立方相结构。

/复合材料膨胀系数随含量增加接近线性降低,其中含

’℃。

%的复合材料膨胀系数为.

关键词:

超低膨胀合金,超因瓦合金,,复合材料,负膨胀,,

曲

...

/,

.

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..、.、.、...

./℃

.

....

伍

...℃,℃.

.

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,,原创性声明

本人郑重声明:

所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研

究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其它个人

或集体己经发表或撰写过的作品或成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集

体,均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人承担。

签字日期:

年

学位论文作者签名:

月日

学位论文版权使用授权书

本人完全了解钢铁研究总院有关保留、使用学位论文的规定,即:

学校有权

保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部

分内容,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

保密的论文在解密后应遵循此规定

学位论文作者签名:

导师签名:

签字日期:

年月签字日期:

年月日第一章文献综述

第一章文献综述

一般情况下,物质受热体积膨胀,遇冷时则体积收缩,这就是人们司空见惯

的热胀冷缩现象。

物质的热胀冷缩能力用线膨胀系数或体膨胀系数来表征。

线膨胀系数定义见下式:

口:

:

些

丁

厶丁一毛

和分别为温度为和时的点阵常数。

体膨胀系数定义为:

‖:

~:

.盟

’

形

晶体各晶向的线膨胀系数和体膨胀系数之间存在以下关系【】:

≈【.

:

体膨胀系数。

、、【分别为晶体主轴方向上的线膨胀系数。

工程上测量物质膨胀系数时,规定了膨胀样品的标准直径如、

和长度、,样品两端表面必须平行,测定到间的乏告兰:

%为

物质从到间的线平均膨胀系数。

按照膨胀系数的高低,物质可分为高膨胀

系数物质一/℃、中等膨胀系数物质一/?

/℃及低膨

胀系数物质?

/.,低膨胀物质有著名的因瓦合金、、

、、锂霞石、,、、、、

、多孔硅沸石等。

合金在室温附近的膨胀系数只有?

/℃,比常用的钢铁材料的热

膨胀系数低一个数量级,因瓦合余的磁致伸缩抵消了合金热振动对晶格造成的影

响,因而获得了低膨胀系数。

在铁磁性材料及非晶合金中也发现了类似的效应,

均称为因瓦效应。

由共顶角的四面体组成松散的可变性的开放骨架结构,原子

的横向振动使得间距减少,抵消了.键产生的微量热膨胀。

可以通过添第一章文献综述

加别的氧化物改变的膨胀系数,得到室温时膨胀系数接近于零的超低膨胀

玻璃。

低温下的因瓦合金和石英都能表现出负膨胀行为,和水也在狭窄的温

度范围内表现出负膨胀行为。

目前研究最多的负膨胀物质主要有五类,分别为

族、族、族、网络框架和沸石。

这类材料

共同的特点是:

由强键结合的多面体构成,具有可变的丌放式框架结构,振动中

多面体无变形或变形很小,这类材料的负膨胀机理被称为刚体单元模型。

相变也

能引起负膨胀效,如压电陶瓷,除了振动效应,其它能引起负膨胀系数的效应还

有肖脱基效应、分子旋转效应及电子效应。

界面及纳米颗粒的原子结构

与块体材料不同,也会出现异常的热膨胀现象。

在工程技术应用方面,低热膨胀系数材料可用于精密仪器,尺寸标准。

另外

降低热膨胀系数有利于降低热应力对材料造成的损坏,这对工作温度区间大的材

料尤其重要。

负热膨胀系数材料可以与正膨胀系数材料制成复合材料,获得很低

的热膨胀系数,或者得到特定的热膨胀系数来与其它材料的膨胀系数匹配,如电

子封装材料与硅膨胀系数的匹配,玻璃与其封装材料的匹配。

热膨胀特性也可被

用作热传感器元件。

对于应用于复合材料的负膨胀物质来说,希望其在宽温度范

围中都能保持负膨胀特性,并且具有良好的化学稳定性,不易和基体发生反应。

.热膨胀及反常热膨胀低膨胀及负膨胀材料

..热膨胀及反常热膨胀

固体的热膨胀行为是由原子间势能决定的。

两个原子在原子间斥力和引力作

用下达到平衡位置,原子在平衡位置附近做简谐振动,当温度由增加到

时,原子间的平均距离没有发生改变,即没有发生热膨胀。

第一章文献综述

\\,.氡..,夕徊谐攘动

卜厂瓣

矿

//仆刚/

Ⅻ彬黹’

图.原子对非简谐振动模式示意图

然而原子的振动模式并非简谐振动,原子间斥力随距离增加下降的很快,原

子间的势能如图.所示,由于势阱的不对称性,当温度增加到时,原子的

平均距离增加到Ⅳ。

平均键长的增长造成了热膨胀。

热膨胀的程度与势阱的

不对称性有关,原子间键合力强,势阱对称性越好,物质的热膨胀系数越小。

每一能量的品格振动能态‘声子能态对热膨胀的贡献为古,。

为

体积弹性模量,为晶胞体积,丫为格利内森常数,“为每一晶格振

动能态声子能态比热的贡献。

由晶格振动理论推导出膨胀系数与

比热的关系。

,/

为时的摩尔体积,为绝热压缩系数。

丫为频率模式对体积的依赖性,定义为:

丫一卿/

蛐为能态的振动频率,为体积,等体积的摩尔比热可定义为所有振动模

式贡献的叠加:

。

/

为频率为蛾的声子个数,为单胞中的结构单元,为单一振动模式的特

征热,每一个声子能念都有各自的格利内森常数,对热膨胀的贡献与特征能和格

利内森系数成正比,由于体积和压缩系数均为正值,格利内森常数的符号和大小

以及对应振能态对总膨胀的贡献决定了物质总的热膨胀。

大多数金属和合金的真实膨胀系数【随温度变化的规律是:

随着温度的升

高,首先很快增加”,然后增加速度减慢以至于接近恒定值。

然而并不第一章文献综述

是所有材料的膨胀系数都遵从这一规律,在正常热膨胀曲线上出现附加的热膨胀

峰时,称为反常热膨胀,附加热膨胀峰为正时称为正反常热膨胀,附加热膨胀峰

为负时称为负反常热膨胀。

晶格振动声子并不仅仅是两原子间相对的振动。

在原子尺度上,两原子

间的作用对膨胀系数的影响有三种可能的机制【刁,键伸缩效应.

原子对沿轴线方向振动,原子间距离随温度升高而增加。

张力效应

原子在平衡位置沿轴线的垂直方向振动,从而抵消了键伸缩效

应,在面心立方体系中会使膨胀系数为负。

键转动效应.,

原子问的距离沿轴向和垂直方向均变动,但这种效应对热膨胀的影响比前两种效

应小得多。

?

.

图.三种原子对振动模式

在简单晶胞中,键伸缩效应和张力效应同时发生,在张力效应占优势的环境

下,就有可能发生负膨胀效应,通过仔细的研究后认为,开放结构,

尤其是那些剪切模量较低的系统比密排结构更有可能获得负膨胀效应【。

在复杂

一些的结构中存在多种相互竞争的振动机制同时对热膨胀产生影响,通常这些结

构中有多种键长和多种键合种类。

而在刚性结合及骨架结构中,强大的键合力使

键伸缩及键转动效应失效【,原子或刚体单元问的旋转可能使材料产生负热膨

胀。

具有低膨胀或负膨胀的材料多种多样,材质有金属、陶瓷、玻璃、非晶和通

过定向排列也可以获得较低的膨胀系数的某些聚合物。

在某些特殊结构中的晶格

第一章文献综述

振动声予可引起反常膨胀,称为声子模型。

在刚体结构中刚体的束缚约束了

振动模式,从而造成负膨胀,称为刚体结构模型。

当材料的、、【

相等时称为各向同性膨胀材料,反之称为各向异性膨胀材料。

对于各向异性膨胀

材料,可能出现在一个或两个方向产生负膨胀,在其它方向上为正膨胀,而体积

膨胀系数仍为正值的现象。

除了振动造成的反常膨胀,晶体中的晶体场分裂,隧

道效应也能造成反常膨胀,电子的状态改变,电子在导带的激发及磁效应也能带

来反常的膨胀系数。

界面效应和纳米颗粒对热膨胀系数也会产生影响。

在多晶材料中,由于晶体之间取向和应力的作用,膨胀系数与原组分也不尽

不同。

对于复合材料来说,膨胀系数与组分的膨胀系数、组分含量、组分各自弹

性模量以及界面结合状况都有一定关系,当形成某些特殊的结构时也可能对复合

材料的膨胀系数产生微妙的影响。

..各向同性负膨胀系数化合物族材料

此系列材料属型立方结构,离子可以是,,,,

等,由,或吨。

的组合构成。

典型材料是,在室温,其结构晶

胞参数.,空间群为。

在一定条件下显示各向同性的负热膨胀性质,

此系列中负热膨胀系数最高为:

..击/。

.,响应温度范围

一般在室温以上,并存在位移相变和超结构..相。

另外,

研究发现:

掺杂以替代可显著影响此类材料的负热膨胀性能,含量的微小

变化可以导致这种材料从负热膨胀连续变化到正热膨胀。

对其机理的进一步解释

将具有重要的意义。

.族材料

此系列材料属立方结构,这一系列材料目前仅有、和

三种化合物,立方相的晶体结构如图.所示。

每个布拉菲晶

胞中含个分子,八面体占据立方布拉菲晶胞的顶角与个面心,

四面体占据晶胞内部位置。

其晶体结构可以看作是由八面体共用桥氧

筇一々献综述

原子与四面体连接。

室温下的晶胞参数

。

在附近存在有序.

无序相转变,榭变并不叫显地破坏其负热膨胀性质,晶胞变化也不犬。

空问群

在相变前属,相变后为。

这是由于氧在“?

.”悬键和“..”间迁移,

其位胃发生变化,从佃越品格畸娈Ⅲ产生的。

外Ⅲ址力会使立力相?

,

发生相变转变为,的空叫群为,与立方相

比,、辅变化不火,轴是它方单胞的倍。

当热到时,逆转变为市

方相。

在室温以下的膨胀系数为负,其平均体膨胀系数为

矿,℃,比立方相的体膨胀系数一℃小一个数量级。

在室

温以上膨胀系数为』下值。

幡一

翻

图.立方相的晶胞结构

石英和沸石

方石英是石英立方相,是由相互共享氧原子的四面体联结成的网络构成

的,方石英的高温相膨胀系数很小,甚至能达到负值。

据报导,以上

的方石英结构也有小的负膨胀Ⅱ】。

;足具有丌放制架结构的多孔嘲体。

多数为铝硅酸赫和添加的:

离子,

是也有部分可以山纯石英制得。

和.对沸石结构进行了点阵动

力学模拟吼预测出八面沸石从到温度区间内有负的膨

胀系数×

而铝硅酸盐类的钠.沸石有略小但仍很明显的负膨胀系数。

这些预测被随后的粉术衍射试验所证明【四。

第一章文献综述

.玻璃

玻璃的膨胀系数依赖于制备和时效过程,纯的二氧化硅在玻璃态时比在晶态

下密度低,在以下膨胀系数为负,经过热处理或辐照,密度略微增加而负

膨胀行为减弱。

四面体网络间的填充成分,例如,,也能够降低

负膨胀现象。

作为网络的替换成分,增加低温下的负膨胀系数,并导

致室温下接近零的膨胀系数。

分子动力学模拟预测压力也能促进硅玻璃的负膨胀

嗍。

某些四面体结合的玻璃在低温下也显示了负膨胀现象。

..各向异性负膨胀系数化合物

非立方晶系材料可以和立方晶系材料一样存在负的体膨胀系数,即使是

正值,三个轴的线膨胀系数中的一个或两个也有可能是负值,表现出热膨胀的多

变性比立方相还要丰富,不过膨胀的基本机理是类似的。

.和类似晶体

属正交晶系,由四面体和八面体通过顶角连接的组成

网络结构,其中所有的氧原子都是共享的。

的热膨胀是各向异性的,

%和是负的而。

为正。

从到的体膨胀系数为..缶/,至少

到还能保持负膨胀【咖。

负膨胀的机理和及相同,还有许

多型化合物具有相同的晶体结构,但是大多数在低温下会转变成为正膨

胀的单斜相【】。

位置的阳离子可选范围很广,从到轻半径小的稀土

离子,通常为和。

在和中阳离子半径约为,。

、

%及%全为负,负膨胀系数数值为的三倍【】,但是吸湿性限制了该

物质的潜在应用【眩。

小的八面体阻止氧原子的横向振动,对阳离子半径只

有.

的来说,%、【是小的负值,大的正【值导致体膨胀系数

为正【】。

这类材料中的大多数都可以通过适当的元素取代来控制膨胀系数。

但是由于

高的各向异性,多晶样品的膨胀会出现滞后和跳跃‘。

第一章文献综述

.锂铝硅酸盐

各向异性的低热膨胀物质一锂辉石被发现后【刀,随后发现了

】一石英的六角变体,及他们的一系列固

负膨胀的一锂霞石【

溶体。

这促成了从餐具到大型望远镜镜片毛坯使用的低膨胀玻璃陶瓷的商业发

展。

以一锂霞石为代表的锂铝硅酸盐主导着市场并在控制陶瓷膨胀系数中起着

决定性作用。

一锂霞石的%在以上为负,在时为.?

/℃,在

和轴方向膨胀系数为正,在很大一个温度范围都接近于零。

使用锂铝硅酸盐

的材料中最著名的商业品牌为和锄一,经过仔细调整化学

成分和热处理后可以在℃.℃间获得±一/℃的膨胀系数,膨胀系数不

均匀性小于?

/℃九。

由于这种超低膨胀系数的材料在抛光和使用中都能保

持形状不变,成为制造大型精密光学元件的关键材料。

.相关化合物及其它磷酸盐

另外一个系列是从年就引起人们注意的族材料,这类材料具有

的结构【,不象.锂辉石和.锂霞石,族材料可进行广泛的元

素替代。

例如可以由、、和“替代,不同元素的替代带来了很宽的

膨胀系数变化范围,从负膨胀的【】到零膨胀的..】,

以及下膨胀系数的..【。

的空间群为,晶体中包含共

享顶角的八面体,每个八面体与六个四面体相连接。

而每个

四面体与四个八面体相连。

这种共享氧原子结构单元组成的开放结构的耦

合旋转被认为是产生各向异性负膨胀的原因。

目前已经能够制备负膨胀的

与正膨胀的组成的复合材料【,这种亚铁磁性的零膨胀陶瓷,可

用于雷达隐身的空间反射镜。

该材料在空间中不会由于在太阳下暴露程度不同造

成的温度变化而发生变形。

许多其它的磷酸盐至少在一个方向上有负的膨胀系数。

例如,共享项角的

八面体和四面体可以构成拥有不止一种结构的晶体。

四方【】

的和上均为正,直至发生第一类相变,超过时伍为小的负值。

与之相反,单斜在一个方向上有负的膨胀系数,在发生相变结构第一章文献综述

变为下交系,各个方向的膨胀系数均变为负值【】。

.多晶和复合材料

多晶和复合材料在反常膨胀化合物的领域以外构成了一个广阔的领域,这种

材料的膨胀系数与其组成物质的膨胀系数可能截然不同。

比如说即使构成复合材

料的组分膨胀系数均为下值,在具有适当的组分和形貌时,可以使复合材料至少

在一个方向上膨胀系数为负的【。

即使是单一组分构成的多晶体,相邻晶粒的不同取向和不同晶向问的膨胀系

数差异使显微应力增加,当显微应力足够大时会导致微裂纹的产生。

这通常降低

材料的机械强度并限制材料的应用。

同时这也大大改变了材料的整体膨胀系数,

微裂纹随着温度改变而张开和闭合,这可以使晶体净体积膨胀系数为正材料的块

状样品显示出负的膨胀系数或者增大负膨胀物质的负膨胀量【。

例如单晶

的为./,但是多晶体的膨胀系数达.。

/.‘’,

发展一种膨胀系数可控,低各向异性又有足够强度的新材料,对于理论和实验工

作者还都是相当大的挑战。

..非振动效应

非振动效应对膨胀系数的贡献通常只在低温下起主导地位,但是在某些材

料,尤其是磁性材料中,非振动效应在相当高的温度下仍然起重要作用。

非振动

效应主要有三种:

肖托基效应、分子旋转和电子效应。

肖托基效应

固体内的肖托基系统是强烈局域化的,每个系统都有确定数目的分立能级

_。

这些能级可以随由于电子或核能级分裂带来的晶体场分裂,或者原子位置交

换带来的隧道效应而升高。

这些能级的占据状态由波尔兹曼因子/及能

级间距决定。

低温时所有系统的能级都处于最低能态_。

随温度升高更高的能

级被激发,直到所有的状态都被等同的占据。

这对单一体系的热容贡献如下,先

以指数规律上升到峰值,然后以下降。

对热膨胀的贡献依靠于能级对体积的

依赖程度,以因子丫_卜/来描述。

当能级间隙随压力下降

第一章文献综述

时,对的贡献为负。

.分子旋转

当分子间作用力较弱的时候,固体中的分子是近似于自由或者受阻碍的旋

转。

尤其是对于含有氢或氘原子的分子,会产生的不同的核自旋体

系如正氢和对氢,甲烷与其衍生物表现了丰富多样的低温反常,例如

和发现甲烷在以下变为负值【】。

在某些系统里,温度降低使分子容易旋转,而不是在固定位置摆动。

这种运

动可能就是在极低温度下发生负膨胀的原斟】。

.电子效应

传导电子

电子在金属导带顶端的激发导致熵和热容随温度跳跃性增长,这在低温下成

为主导因素。

自由电子模型下因子/,并且对于大多数金属来说

对膨胀的影响都是正的,除了锶是例外【,它的丫。

铂.。

有趣的是发现了淬火

态的无序的丫为负,而有序的丫。

为正【。

电子效应对于各向异性金

属的影响就更为复杂,比如说,对于金属,低于时电子效应使得Ⅱ上变

为负值,即使是在丫‖和丫上均为正值的情况下【。

对于过渡族金属来说丫。

通常也是正的,除了反铁磁性金属.和一.

是负值。

但是对于稀土族和锕系金属来说负的丫更为常见,这些金属大多不是

立方结构,是磁有序的,核自旋状态和其它附加效应在低温下难以进行分析。

对

于多晶体的、、、、和来说。

表现为负值,负膨胀系数【

有时也有能带间的电子交换带来的体积变化的贡献。

在超导转变温度附近热膨胀系数可能会剧烈的改变,例如正常状态下的

、、都是下膨胀的,在以下,的热膨胀系数增大,而的热膨胀

系数减小在更低的温度下变为负值,则在温度低于时立即变为负值【。

磁性材料

磁性材料中有一些最著名的负膨胀或超低膨胀的例子,特别是在低温下热振

动贡献小的情况下。

例如单斜钙钛矿型结构的【,在涅耳温度

第一章文献综述

以下%、%、均为负值。

从到,为很大的负值≈。

/,

随后随温度升高到都保持为一个很小的值,由于轨道有序持续到高温仍起

作用,该现象对自旋有序也有贡献。

稀土金属中存在更复杂的特性,的

涅耳点为,在.和.击/℃之间振荡,在居里温度.~

达到峰值麓×勺℃】。

最著名的例子是铁磁性的因瓦合金≈,于年被

发现,从此被用来制造需要在室温附近的温度范围内保持尺寸稳定的零部件。

因

瓦合金的在对为以下为负值,直到都在石/

℃以下。

和也有类似的性质,包括..?

合金系中的很多种。

这种效应对成分高度敏感,通常在/电子/原子比达到.时达到最大【删。

∞电子组态的改变

.从.到有惊人的负膨胀,约为相同温度区间下的

倍,在此温度以上.的热膨胀特征转变与其它金属富勒烯盐相当。

这种

负膨胀被认为与电子组态有关。

对于来说外层电子分布可能为和,

当轨道被占据时离子半径大大减小。

电子组态相对数量随温度的变化导致随温

度升高体积的剧烈膨胀。

如下物质的负膨胀被认为与电子跃迁有关系:

以下

的,.到之间的..,还有.之间金属间化合

物接近于零的热膨胀【。

高关联电子系统

上面的例子阐述了热膨胀与电子、磁性及弹性效应之间复杂的关系,这些关

系在理论上越来越清楚。

然而超导性对热膨胀系数的影响就更为复杂,尤其是在

超导转变点附近。

这种膨胀还可以强烈的被磁场所改变。

重费密子材料,尤其是在低温下表现出一些最特殊的热膨胀效应,值得得到

特别的关注【州。

这些材料都是化合物,其中一个组成原子具有半充满的或

壳层,即高的电子相关性。

“重”指传导电子的有效质量,对应的电子比热比

大两三个数量级。

这种特性通常和应力高度相关,因子正值或负值

也可能达到很大数值。

高的和丫导致与典型金属相比巨大的电子热膨胀。

立

方的多晶体在下为很大的负值【?

】,因子由.的.

变为时的。

由于各向异性及磁性和超导性的影响,大多数重费米子材料的第一章文献综述

膨胀行为更加复杂。

..界面和纳米颗粒

界面和纳米颗粒的结构可能与块体材料大不相同,引起了结合力,磁性和弹

性的变化。

通常,表面的键合断开处的配位数比块体内部要低,结构也更开放,

这导致了膨胀系数的改变。

即使是在电子结构中没有明显的变化,张力效应

有可能对膨胀系数的决定起到重要作用。

在研究表面的静态结构时达到一个共识,就是多层松弛可能是重构发生

时,它们的膨胀系数及上面讨论到的膨胀机制的贡献都更不清楚。

然而,低指数

金属晶面的膨胀系数吸引了理论和试验上的关注,此时必须考虑到弛豫和重排以

及由此对表面声子的影响。

最近物理学家特别感兴趣的是表面两层原子间距随温

度升高而降低的系统,在,和晶面上观察到上述现象

并进行了理论上的研列.】,结果表明当振动垂直穿过表面时,第一和

第三层间的晶面间距随温度收缩,伴随的是第二和第四层的晶面间距扩张。

相反,

原子密排面如面在所有外层原子面问都将显示正的膨胀系数。

对于所

有的表面,平行于与表面的膨胀系数和体材料一样都是下值。

考虑到附加的界面

自由度,采用了类似于各向异性膨胀的分析方法,垂直于表面的明显热收缩只发

生在低原子量金属相对开放的表面。

纳米颗粒的热膨胀系数正在研究中,其中李等人研究特别有意义【,他们报

道立方纳米颗粒在约时发生从下膨胀到负膨胀的转变,并没

有伴随任何结构转变。

在转变点也发现了磁效应和热容的反常。

这种现象被认为

源于电子。

在对孤立分子和碳纳米管的经典分子动力学模拟中发现了电子效

应的独立热收缩【。

忽略量子效应的情况下,膨胀随温度强烈变化。

直径的

线膨胀系数在以下为负值,最大达至×击/℃。

碳纳米管的径向和长度

方向直到都保持负膨胀,数量级为弓/℃。

.因瓦合金研究及发展状况

发现铁镍合金含.%和.%的在镍含量为%时室

温膨胀系数达到最小见图.,将其命名为因瓦合金。

绘制了因

第~章文献综述

瓦合金在..之间膨胀系数随成分变化的曲线,由图.可以看出因瓦合

金的膨胀系数在.℃之间增加很快,实际上,反常膨胀仅仅发生在居里温

度以下。

由图.也可以看出在因瓦合金右侧的成分可以在比因瓦合金宽的温度

范围内获得略高于因瓦合金的膨胀系数。

对于因瓦合金的这种膨胀系数反常

称为因瓦效应,除了膨胀系数反常以外,因瓦合金还出现电阻率增大、比热容增

大等反常现象。

图.因瓦合金热膨胀系数随含量的变化

图.因瓦合金的膨胀.成分等温曲线

因瓦效应起源于磁致伸缩及其对体积的影响。

因瓦合金的自发磁致伸缩使合第一章文献综述

金的体积减小,几乎抵消了正常的振动热膨胀,带来了近乎于零的膨胀系数。

产

生因瓦效应的机理成为一个多世纪以来的课题,针对因瓦效应的产生也先后提

出过相当多的物理模型。

解释因瓦效应的难点在于如何定量解释如下问题:

为什么磁化念倾向于较大的体积为什么转变发生在如此宽广的温度范围。

为什么因瓦效应强烈依赖于成分。

近些年有相当多的研究在电子结构理论取得了

迅速的进展。

关于的一个非线性自旋有序模型,定量的解释了前两项。

因瓦合金中