利用連續磁相變策略實現超寬溫區零熱膨脹 | 進展

不同于常見的“熱脹冷縮”現象，零熱膨脹（Zero Thermal Expansion, ZTE）是固體材料一種引人入勝的性能，其顯著特征是材料體積在一定溫度范圍內保持不變。眾所周知，普通材料因熱脹冷縮易產生熱應力、形變甚至失效，而零熱膨脹材料可從本質上抑制熱失配與結構破壞，顯著提升器件的穩定性、可靠性與使用壽命。在航空航天、精密光學、微電子與半導體、高精度傳感器等領域，零熱膨脹合金材料是實現系統長期穩定運行的保障。最早的零熱膨脹合金—因瓦合金，于1897年被發現，并在過去一個世紀中得到廣泛應用。因瓦合金在室溫附近發生磁相變引發磁致伸縮效應，該效應與晶格熱膨脹抵消，從而在室溫附近表現出零熱膨脹。然而，這種單一磁相變誘發的零熱膨脹效應，其溫度窗口較窄，不利于材料寬溫區應用。探索突破寬溫區、高性能零熱膨脹材料的設計與制備新方法，不僅能夠推動材料物性研究的創新發展，更能為國家重大工程與高端裝備的自主可控提供關鍵支撐，具有重要的科學價值與戰略應用價值。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心龍有文研究員和潘昭副研究員團隊聯合北京科技大學邢獻然教授團隊，利用連續磁相變策略實現了超寬溫區零熱膨脹。通過高溫退火處理，在非化學計量比的kagome金屬(Hf,Ti)Fe???中實現了元素的非均勻分布，并由此構建出多重磁有序。在Hf0.6Ti0.4Fe2.54材料中，連續磁相變產生了超寬溫區的零熱膨脹，其平均線性熱膨脹系數在112-525 K的超寬溫度范圍內僅為 0.76×10?? K?1（低于2×10???K?1被認為是零熱膨脹）。磁化強度測試、洛倫茲透射電鏡、中子粉末衍射與穆斯堡爾譜分析表明，反占位Fe原子引入了額外的磁交換相互作用并穩定了磁有序結構。在370 K附近發生自旋重取向；隨后，磁矩在470 K處急劇減小，并在525 K左右完全轉變為順磁性。磁有序與聲子效應之間的補償效應，實現了跨越室溫的超寬溫區零熱膨脹。

該研究為理解金屬磁性材料中的非常規零熱膨脹行為提供了新思路，并展現出良好的應用前景。相關成果以“Successive Magnetic Transitions Enable an Ultrawide Temperature Window of Zero Thermal Expansion in (Hf,Ti)Fe???”為題，發表在近期的J. Am. Chem. Soc. 148, 12119 (2026)上。文章第一作者是中國科學院物理研究所潘昭副研究員，北京科技大學周浩維博士以及物理所聯合培養碩士研究生陳超為共同第一作者，通訊作者為物理所潘昭副研究員、龍有文研究員、北京科技大學固體化學研究所的曹宜力副教授和邢獻然教授。

該工作受到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金項目、北京市自然科學基金項目和中國科學院的資助。物理所葉旭斌副研究員、湖北大學王瑞龍教授以及日本同步輻射光源SPring-8的Shogo Kawaguchi博士等參與本工作。

圖：Hf?Ti?Fe合金的熱膨脹行為。(a) Hf0.6Ti0.4Fe2.54沿三個方向的線性熱膨脹曲線；(b) 中子粉末衍射測得的Hf0.6Ti0.4Fe2.54晶格參數隨溫度的變化；(c) Hf0.6Ti0.4Fe2.54 的同步輻射X射線衍射(110)與(112)衍射峰隨溫度的變化；(d) 傳統Laves相零熱膨脹材料的溫度窗口對比。

編輯：Bingbing