高性能負熱膨脹新材料與機理

　　熱膨脹是機械、電子和光學等領域所面臨的最普遍的問題之一，材料的熱膨脹系數不匹配、抗熱沖擊性能差可造成材料與器件的使用壽命縮短甚至失效。負熱膨脹(Negative Thermal Expansion,NTE)材料在一定的溫度區間內其宏觀體積隨溫度的變化而發生“熱縮冷脹”。將NTE材料與常規正膨脹材料按一定的方式與配比制成復合材料，可以精確控制材料的熱膨脹系數。然而，目前已發現的負熱膨脹材料數量仍然有限，研究和開發具有寬溫區和強NTE效應的負熱膨脹新材料成為了近年來的研究熱點。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M08組龍有文研究員、潘昭副研究員等人與所內外團隊密切合作，采用高壓高溫實驗條件，通過在鈦酸鉛鉍基鈣鈦礦材料中引入稀土元素這一新策略，成功改善了鈦酸鉛(-1.99×10-5/K，300-763 K)的NTE性能：在PbTiO3-BiLuO3材料體系中，極大地拓寬了鈦酸鉛的負熱膨脹溫度區間，相關成果發表在Rare Metals 44,6494 (2025)上；在PbTiO3-BiYbO3材料體系中，不僅負熱膨脹溫度區間拓寬，并且負熱膨脹效應也有一定程度增強，相關成果發表在J. Adv. Ceram. 14,9221096 (2025)上。理論計算表明，稀土元素的引入，顯著增強了B位原子與O原子之間的雜化作用，引起鈦酸鉛晶格畸變的進一步增強，從而拓寬了NTE溫區、增強了NTE效應。
 

　　目前關于鈦酸鉛負熱膨脹性的調控，只集中在A、B位陽離子的改性，而O位陰離子替代對其晶體結構和負熱膨脹性的影響卻鮮有報道。近期，團隊利用本組高壓高溫實驗條件的優勢，成功制備了鈦酸鉛基混合陰離子鈣鈦礦新材料PbTiO3-xFx。研究表明，少量F元素的引入即可顯著降低鈦酸鉛的晶格畸變(c/a)，并且NTE效應大幅增強(最大可增強約32%)。理論計算表明，引入F元素后，TiO6八面體的電子發生了重新分布，引起了晶體結構的變化以及NTE效應的增強。該項工作突破了以往研究中只有在c/a增強的鈦酸鉛基鈣鈦礦體系中觀察到增強的NTE效應，我們首次在c/a降低的材料體系中觀察到增強的NTE現象，該研究為其它NTE材料熱膨脹的調控提供了一種新策略。相關成果以“Anion-mediated unusual enhancement of negative thermal expansion in the oxyfluoride of PbTiO3”為題，發表在近期的Mater. Horiz. 12,6804 (2025)上。
 

　　以上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戰略性先導研究計劃的資助。物理所禹日成研究員、魯年鵬研究員、沈希副研究員、北京科技大學的邢獻然教授、陳駿教授、西班牙巴斯克大學的放躍文研究員、日本東京工業大學的Masaki Azuma教授、廣島大學的Yoshihiro Kuroiwa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：PbTiO3-xFx (x = 0,0.1,0.2,0.3)的晶體結構和熱膨脹性質。(a)PbTiO3-xFx (x = 0,0.1,0.2,0.3)的XRD衍射圖譜，插圖為軸比(c/a)隨F含量的變化趨勢，(b)PbTiO3-xFx (x = 0,0.1,0.2,0.3)的單胞體積隨溫度的變化,和(c)PbTiO3基鐵電材料中熱膨脹系數和軸比(c/a)之間的關系。