Отрицательное тепловое расширение

Отрицательное тепловое расширение ( ОТЭ ) — это необычный физико-химический процесс, в котором некоторые материалы при нагревании сжимаются, а не расширяются, как это делают большинство других материалов. Наиболее известным материалом с NTE является вода при температуре от 0 до 3,98 °C. Кроме того, плотность твердой воды (льда) ниже плотности жидкой воды при стандартном давлении. NTE воды является причиной того, что водяной лед плавает, а не тонет в жидкой воде. Материалы, подвергающиеся NTE, имеют ряд потенциальных инженерных , фотонных , электронных и конструкционных применений. Например, если смешать материал с отрицательным тепловым расширением с «нормальным» материалом, который расширяется при нагревании, можно было бы использовать его в качестве компенсатора теплового расширения , который мог бы позволить формировать композиты с заданным или даже близким к нулю тепловым расширением. расширение.

Происхождение отрицательного теплового расширения

Существует ряд физических процессов, которые могут вызывать сжатие при повышении температуры, включая поперечные колебательные моды, режимы жестких единиц и фазовые переходы .

В 2011 году Лю и др. ^[1] показали, что явление NTE возникает из-за существования конфигураций высокого давления и малого объема с 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 Fe
₃Пт ). ^[2] Альтернативно, большое отрицательное и положительное тепловое расширение может быть результатом конструкции внутренней микроструктуры. ^[3]

Отрицательное тепловое расширение в плотноупакованных системах.

Отрицательное тепловое расширение обычно наблюдается в неплотноупакованных системах с направленными взаимодействиями (например, лед , графен и т. д.) и комплексных соединениях (например, Cu
₂О , ЗрВ
₂О
₈, бета-кварц, некоторые цеолиты и др.). Однако в работе ^[4] было показано, что отрицательное тепловое расширение (ОТР) реализуется и в однокомпонентных плотноупакованных решетках с парными центральными силовыми взаимодействиями. Для межатомного потенциала , , на равновесном расстоянии предлагается следующее достаточное условие потенциала, вызывающего поведение NTE : ${\displaystyle \Pi (x)}$ ${\displaystyle a}$

$${\displaystyle \Pi '''(a)>0,}$$

${\displaystyle \Pi '''(a)}$

$${\displaystyle \Pi '''(a)=\left.{\frac {d^{3}\Pi (x)}{dx^{3}}}\right|_{x=a}}$$

Это условие является (i) необходимым и достаточным в 1D и (ii) достаточным, но не необходимым в 2D и 3D. Приближенное необходимое и достаточное условие выведено в работе ^[5]

$${\displaystyle \Pi '''(a)a>-(d-1)\Pi ''(a),}$$

межатомного потенциала ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \Pi ''}$ ${\displaystyle \Pi '''}$

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 AM .
₂О
₈семейство материалов (где A = Zr или Hf , M = Mo или W ) и HfV
₂О
₇и ЗрВ
₂О
₇хотя HfV
₂О
₇и ЗрВ
₂О
₇только в высокотемпературной фазе , начиная с 350–400 К. ^[7] А
₂( МО
₄)
₃также является примером контролируемого отрицательного теплового расширения. Кубические материалы, такие как ZrW
₂О
₈а также HfV
₂О
₇и ЗрВ
₂О
₇особенно ценны для применения в технике, поскольку они демонстрируют изотропный NTE, т.е. NTE одинаков во всех трех измерениях , что упрощает их применение в качестве компенсаторов теплового расширения. ^[8]

Обычный лед демонстрирует NTE в гексагональной и кубической фазах при очень низких температурах (ниже –200 °C). ^[9] В жидкой форме чистая вода также имеет отрицательное тепловое расширение при температуре ниже 3,984 °C.

ALLVAR Alloy 30, сплав на основе титана, демонстрирует NTE в широком диапазоне температур с мгновенным коэффициентом теплового расширения -30 ppm/°C при 20°C. ^[10] Отрицательное тепловое расширение сплава ALLVAR 30 анизотропно. Этот коммерчески доступный материал используется в оптике, аэрокосмической и криогенной промышленности в виде оптических прокладок, предотвращающих термическую дефокусировку, сверхстабильных стоек и шайб для термостойких болтовых соединений. ^[11]

Углеродные волокна демонстрируют NTE при температуре от 20°C до 500°C. ^[12] Это свойство используется в аэрокосмической отрасли с жесткими допусками для адаптации КТР компонентов из армированного углеродным волокном пластика для конкретных применений/условий путем регулирования соотношения углеродного волокна к пластику и путем регулирования ориентации углеродных волокон внутри детали. .

Кварц ( SiO
₂), а ряд цеолитов также демонстрируют NTE в определенных диапазонах температур. ^{[13] [14]} Довольно чистый кремний (Si) имеет отрицательный коэффициент теплового расширения при температурах от 18 до 120 К. ^[15] Кубический трифторид скандия обладает этим свойством, которое объясняется четвертичным колебанием ионов фтора. Энергия, запасенная в изгибной деформации иона фтора, пропорциональна четвертой степени угла смещения, в отличие от большинства других материалов, где она пропорциональна квадрату смещения. Атом фтора связан с двумя атомами скандия, и с увеличением температуры фтор колеблется более перпендикулярно его связям. Это сближает атомы скандия по всему материалу и сжимает его. ^[16] СФ
₃проявляет это свойство в диапазоне 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 композита из 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 тепловые расширения до некоторой степени компенсируют друг друга при изменении температуры . Приведение общего коэффициента теплового расширения (КТР) к определенному значению может быть достигнуто путем изменения объемных долей различных материалов, способствующих термическому расширению композита. ^{[8] [20]}

Особенно в технике существует потребность в материалах с КТР, близким к нулю, т.е. с постоянными характеристиками в широком диапазоне температур, например, для применения в прецизионных приборах. Но и в быту требуются материалы с КТР, близким к нулю. Стеклокерамические варочные панели , такие как варочные панели Ceran, должны выдерживать большие температурные градиенты и быстрые изменения температуры во время приготовления пищи, поскольку только определенные части варочных панелей будут нагреваться, в то время как другие части остаются близкими к температуре окружающей среды . В общем, из-за своей хрупкости перепады температур в стекле могут привести к появлению трещин. Однако стеклокерамика, используемая в варочных панелях, состоит из множества различных фаз, некоторые из которых имеют положительное, а некоторые - отрицательное тепловое расширение. Расширение различных фаз компенсирует друг друга, поэтому объем стеклокерамики не сильно меняется при изменении температуры и предотвращается образование трещин.

Примером из повседневной жизни, объясняющим необходимость использования материалов с индивидуальным тепловым расширением, являются зубные пломбы . Если пломбы имеют тенденцию расширяться на величину, отличную от размеров зубов , например, при употреблении горячего или холодного напитка, это может вызвать зубную боль . Однако если зубные пломбы изготовлены из композитного материала , содержащего смесь материалов с положительным и отрицательным тепловым расширением, тогда общее расширение может быть точно адаптировано к расширению зубной эмали .

Рекомендации

1. Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи; Шан, Шун-Ли (2011). «Происхождение явления отрицательного теплового расширения в твердых телах». Скрипта Материалия . 65 (8): 664–667. doi :10.1016/j.scriptamat.2011.07.001.
2. Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией». Научные отчеты . 4 : 7043. Бибкод : 2014NatSR...4E7043L. дои : 10.1038/srep07043. ПМК 4229665 . ПМИД  25391631. 
3. Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель; Миссерони, Диего (2019). «Микроструктурированная среда с большим изотропным отрицательным тепловым расширением». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 475 (2232): 7043. Бибкод : 2019RSPSA.47590468C. дои : 10.1098/rspa.2019.0468 . ПМК 6936614 . ПМИД  31892835. 
4. Рехтсман, MC; Стиллингер, Ф.Х.; 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, doi :10.1021/jp076859l, PMID  17988108, S2CID  8612584
5. Кузькин, Виталий А. (2014), «Комментарий к «Отрицательному термическому расширению в однокомпонентных системах с изотропными взаимодействиями»", Журнал физической химии A , 118 (41): 9793–4, Bibcode : 2014JPCA..118.9793K, doi : 10.1021/jp509140n , PMID  25245826
6. Мэри, штат Калифорния; Эванс, JSO; Фогт, Т.; Слейт, AW (1996). «Отрицательное тепловое расширение от 0,3 до 1050 Кельвина в ZrW
   ₂О
   ₈". Science . 272 ​​(5258): 90–92. Бибкод : 1996Sci...272...90M. doi : 10.1126/science.272.5258.90. S2CID  54599739.
7. Хисасиге, Тецуо; Ямагучи, Теппей; Цудзи, Тошихидэ; Ямамура, Ясухиса (2006). «Фазовый переход твердых растворов Zr1-xHfxV2O7, имеющих отрицательное тепловое расширение». Журнал Керамического общества Японии . 114 (1331): 607–611. дои : 10.2109/jcersj.114.607 . ISSN  0914-5400.
8. Дав, Мартин Т; Фанг, Хун (01 июня 2016 г.). «Отрицательное тепловое расширение и связанные с ним аномальные физические свойства: обзор теоретических основ динамики решетки». Отчеты о прогрессе в физике . 79 (6): 066503. Бибкод : 2016RPPh...79f6503D. дои : 10.1088/0034-4885/79/6/066503. ISSN  0034-4885. PMID  27177210. S2CID  6304108.
9. Реттгер, К.; Эндрисс, А.; Ирингер, Дж.; Дойл, С.; Кухс, ВФ (1994). «Постоянные решетки и тепловое расширение H
   ₂О и Д
   ₂O лед Ih от 10 до 265 К». Acta Crystallographica Раздел B. 50 ( 6): 644–648. Бибкод : 1994AcCrB..50..644R. doi : 10.1107/S0108768194004933.
10. Монро, Джеймс А. (10 июля 2018 г.). «Сплавы ALLVAR с отрицательным тепловым расширением для телескопов». В Наварро Рамон; Гейл, Роланд (ред.). Достижения в области оптических и механических технологий для телескопов и приборов III . Том. III. п. 26. Бибкод : 2018SPIE10706E..0RM. дои : 10.1117/12.2314657. ISBN 9781510619654. S2CID  140068490. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
11. «Продукты и приложения». АЛЛВАР Сплавы . Проверено 12 апреля 2022 г.
12. Куде, Ю.; Сода, Ю. (1997). «Термический контроль углерод-углеродных композитов с помощью метода функционально-градуированного расположения волокон». В Сиоте, Ичиро; Миямото, Ёсинари (ред.). Функционально классифицированные материалы, 1996. Elsevier Science BV, стр. 239–244. дои : 10.1016/B978-044482548-3/50040-8. ISBN 9780444825483. Проверено 17 сентября 2020 г.
13. Лайтфут, Филип; Вудкок, Дэвид А.; Мэйпл, Мартин Дж.; Вильяэскуса, Луис А.; Райт, Пол А. (2001). «Распространенное явление отрицательного теплового расширения в цеолитах». Журнал химии материалов . 11 : 212–216. дои : 10.1039/b002950p.
14. Аттфилд, Мартин П. (1998). «Сильное отрицательное тепловое расширение кремнистого фожазита». Химические коммуникации (5): 601–602. дои : 10.1039/A707141H.
15. Буллис, В. Мюррей (1990). "Глава 6". В О'Маре, Уильям К.; Херринг, Роберт Б.; Хант, Ли П. (ред.). Справочник по полупроводниковой кремниевой технологии . Парк-Ридж, Нью-Джерси: Публикации Нойеса. п. 431. ИСБН 978-0-8155-1237-0. Проверено 11 июля 2010 г.
16. Ву, Маркус (7 ноября 2011 г.). «Невероятно сжимающийся материал: инженеры показывают, как трифторид скандия сжимается при нагревании». Физорг . Проверено 8 ноября 2011 г.
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 простой структуры: кубического ScF.
    ₃". Журнал Американского химического общества . 132 (44): 15496–15498. doi : 10.1021/ja106711v. PMID  20958035.
18. Реттгер, К.; Эндрисс, А.; Ирингер, Дж.; Дойл, С.; Кухс, ВФ (1994). «Константы решетки и тепловое расширение льда H2O и D2O Ih между 10 и 265 К». Acta Crystallographica Раздел B. 50 (6): 644–648. Бибкод : 1994AcCrB..50..644R. дои : 10.1107/S0108768194004933.
19. Ахади, А.; Мацусита, Ю.; Савагути, Т.; Вс, QP; Цучия, К. (2017). «Происхождение нулевого и отрицательного теплового расширения в сильно деформированном сверхэластичном сплаве Ni Ti ». Акта Материалия . 124 : 79–92. Бибкод : 2017AcMat.124...79A. doi :10.1016/j.actamat.2016.10.054.
20. Такенака, Коси (февраль 2012 г.). «Материалы с отрицательным термическим расширением: технологический ключ к контролю теплового расширения». Наука и технология перспективных материалов . 13 (1): 013001. Бибкод : 2012STAdM..13a3001T. дои : 10.1088/1468-6996/13/1/013001. ISSN  1468-6996. ПМК 5090290 . ПМИД  27877465. 

дальнейшее чтение

• Сансон, А. (2019). «О переключении между отрицательным и положительным тепловым расширением в каркасных материалах». Письма об исследованиях материалов . 7 (10): 412–417. дои : 10.1080/21663831.2019.1621957 . HDL : 11577/3309050 . S2CID  189965690.
• Ли, Дж.; Ёкочи, А.; Амос, Т.Г.; Слейт, AW (2002). «Сильное отрицательное тепловое расширение по связи O-Cu-O в CuScO2». Химия материалов . 14 (6): 2602–2606. дои : 10.1021/cm011633v.
• Ноай, LD; Пэн, Х.-х.; Старкович Дж.; Данн, Б. (2004). «Тепловое расширение и фазообразование ZrW.
  ₂О
  ₈Аэрогели». Химия материалов . 16 (7): 1252–1259. doi :10.1021/cm034791q.
• Гжечник А.; Крайтон, Вашингтон; Сяссен, К.; Адлер, П.; Мезуар, М. (2001). «Новый полиморф ZrW
  ₂О
  ₈Синтезированы при высоких давлениях и высоких температурах». Химия материалов . 13 (11): 4255–4259. doi : 10.1021/cm011126d.
• Сансон, А.; Рокка, Ф.; Далба, Г.; Форназини, П.; Гризенти, Р.; Дапиаджи, М.; Артиоли, Г. (2006). «Отрицательное тепловое расширение и локальная динамика в Cu
  ₂О и Ag
  ₂О ". Physical Review B. 73 ( 21): 214305. Bibcode : 2006PhRvB..73u4305S. doi : 10.1103/PhysRevB.73.214305. hdl : 11577/2434589.
• Бханге, Д.С.; Рамасвами, Веда (2006). «Отрицательное тепловое расширение силикалита-1 и силикалита циркония-1, имеющих структуру MFI». Бюллетень исследования материалов . 41 (7): 1392–1402. CiteSeerX  10.1.1.561.4881 . doi :10.1016/j.materresbull.2005.12.002. S2CID  137406010.
• Лю, З.-К.; Ван, Йи; Шан, С.-Л. (2011). «Происхождение отрицательного теплового расширения в твердых телах». Скрипта Материалия . 65 (8): 664–667. doi :10.1016/j.scriptamat.2011.07.001.