Negativ termisk ekspansion - Negative thermal expansion

Negativ termisk ekspansion ( NTE ) er en usædvanlig fysisk -kemisk proces, hvor nogle materialer trækker sig sammen ved opvarmning frem for at ekspandere som de fleste andre materialer gør. Det mest kendte materiale med NTE er vand ved 0 ~ 4 ° C. Materialer, der gennemgår NTE, har en række potentielle tekniske , fotoniske , elektroniske og strukturelle applikationer. For eksempel, hvis man blander et negativt termisk ekspansionsmateriale med et "normalt" materiale, der ekspanderer ved opvarmning, kan det være muligt at bruge det som en termisk ekspansionskompensator, hvad der muliggør dannelse af kompositter med skræddersyet eller endda tæt på nul termisk udvidelse.

Oprindelse af negativ termisk ekspansion

Der er en række fysiske processer, der kan forårsage sammentrækning med stigende temperatur, herunder tværgående vibrationstilstande, stive enhedstilstande og faseovergange .

I 2011 Liu et al. viste, at NTE -fænomenet stammer fra eksistensen af højt tryk, små volumenkonfigurationer med højere entropi, med deres konfigurationer til stede i den stabile fasematrix gennem termiske udsving. De var i stand til at forudsige både den kolossale positive termiske ekspansion (In cerium) og nul og uendelig negativ termisk ekspansion (i Fe
₃Pt ). Alternativt kan stor negativ og positiv termisk ekspansion skyldes design af intern mikrostruktur.

Negativ termisk ekspansion i tætpakkede systemer

Negativ termisk ekspansion observeres normalt i ikke-tætpakkede systemer med retningsbestemte interaktioner (f.eks. Is , grafen osv.) Og komplekse forbindelser (f.eks. Cu
₂Åh , ZrW
₂O
₈, beta-kvarts, nogle zeolitter osv.). I et papir blev det imidlertid vist, at negativ termisk ekspansion (NTE) også realiseres i enkeltkomponent tætpakkede gitter med par centrale kraftinteraktioner. Følgende tilstrækkelig betingelse for potentiel give anledning til NTE adfærd foreslås for interatomare potentiale , ved ligevægt afstand : ${\ displaystyle \ Pi (x)}$ ${\ displaystyle a}$

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

hvor er stenografi for det tredje derivat af det interatomiske potentiale ved ligevægtspunktet: ${\ displaystyle \ Pi '' '(a)}$

{\ displaystyle \ Pi '' '(a) = \ venstre. {\ frac {d^{3} \ Pi (x)} {dx^{3}}} \ højre | _ {x = a}}

Denne betingelse er (i) nødvendig og tilstrækkelig i 1D og (ii) tilstrækkelig, men ikke nødvendig i 2D og 3D. En omtrentlig nødvendig og tilstrækkelig tilstand er afledt i et papir

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

hvor er rummet dimensionalitet. Således realiseres negativ termisk ekspansion i 2D og 3D i tætpakkede systemer med parinteraktioner, selv når det tredje derivat af potentialet er nul eller endda negativt. Bemærk, at endimensionelle og multidimensionale sager er kvalitativt forskellige. I 1D er termisk ekspansion kun forårsaget af anharmonicitet af interatomisk potentiale . Derfor bestemmes tegnet på termisk ekspansionskoefficient af tegnet på potentialets tredje derivat. I flerdimensionalt tilfælde er den geometriske ulinearitet også til stede, dvs. gittervibrationer er ikke -lineære, selv i tilfælde af harmonisk interatomisk potentiale. Denne ikke -linearitet bidrager til termisk ekspansion. Derfor er både og i multidimensionalt tilfælde både og er til stede i betingelsen for negativ termisk ekspansion. ${\ displaystyle d}$ ${\ displaystyle \ Pi ''}$ ${\ displaystyle \ Pi '' '}$

Materialer

Måske er et af de mest undersøgte materialer til at udvise negativ termisk ekspansion zirconium wolfram ( ZrW
₂O
₈). Denne forbindelse kontraherer kontinuerligt over et temperaturområde på 0,3 til 1050 K (ved højere temperaturer nedbrydes materialet). Andre materialer, der udviser NTE -adfærd, omfatter andre medlemmer af AM
₂O
₈familie af materialer (hvor A = Zr eller Hf , M = Mo eller W ) og HfV
₂O
₇og ZrV
₂O
₇, selvom HfV
₂O
₇og ZrV
₂O
₇kun i deres høje temperatur fase starter fra 350 til 400 K . EN
₂( MO
₄)
₃er også et eksempel på kontrollerbar negativ termisk ekspansion. Kubiske materialer som ZrW
₂O
₈og også HfV
₂O
₇og ZrV
₂O
₇er især dyrebare til applikationer inden for teknik, fordi de udviser isotrop NTE, dvs. NTE er den samme i alle tre dimensioner, hvilket gør det lettere at anvende dem som termiske ekspansionskompensatorer.

Almindelig is viser NTE i sine sekskantede og kubiske faser ved meget lave temperaturer (under –200 ° C). I sin flydende form viser rent vand også negativ termisk ekspansivitet under 3,984 ° C.

ALLVAR Alloy 30, en titanbaseret legering, viser NTE over et bredt temperaturområde med en -30 ppm/° C øjeblikkelig termisk ekspansionskoefficient ved 20 ° C.

Gummielasticitet viser NTE ved normale temperaturer, men årsagen til effekten er ret anderledes end i de fleste andre materialer. Kort sagt, da de lange polymerkæder absorberer energi, adopterer de en mere forvrænget konfiguration, hvilket reducerer materialets volumen.

Kulfiber viser NTE mellem 20 ° C og 500 ° C. Denne egenskab bruges i luftfartsapplikationer med tæt tolerance til at skræddersy CTE af kulfiberforstærkede plastkomponenter til specifikke applikationer/betingelser, ved at justere forholdet mellem kulfiber og plast og ved at justere orienteringen af kulfiberne i delen.

Kvarts ( SiO
₂) og et antal zeolitter viser også NTE over visse temperaturområder. Temmelig rent silicium (Si) har en negativ termisk ekspansionskoefficient for temperaturer mellem ca. 18 K og 120 K. Cubic Scandium trifluorid har denne egenskab, der forklares ved fluoridionernes kvarts oscillation. Energien lagret i fluoridionens bøjningsstamme er proportional med forskydningsvinklens fjerde effekt, i modsætning til de fleste andre materialer, hvor den er proportional med forskydningens kvadrat. Et fluoratom er bundet til to scandiumatomer, og efterhånden som temperaturen stiger, svinger fluor mere vinkelret på dets bindinger. Dette trækker scandiumatomerne sammen i hele materialet, og det trækker sig sammen. ScF
₃udviser denne ejendom fra 10 til 1100 K, hvorover den viser den normale positive termiske ekspansion. Formhukommelseslegeringer såsom NiTi er en begyndende klasse af materialer, der udviser nul og negativ termisk ekspansion.

Ansøgninger

Dannelse af en komposit af et materiale med (almindelig) positiv termisk ekspansion med et materiale med (anomal) negativ termisk ekspansion kunne muliggøre skræddersyning af kompositernes termiske ekspansion eller endda have kompositter med en termisk ekspansion tæt på nul. Negativ og positiv termisk ekspansion kompenserer herved for en vis mængde, hvis temperaturen ændres. Tilpasning af den samlede termiske ekspansionskoefficient (CTE) til en bestemt værdi kan opnås ved at variere volumenfraktionerne af de forskellige materialer, der bidrager til sammensætningens termiske ekspansion.

Især inden for teknik er der behov for at have materialer med en CTE tæt på nul, dvs. med konstant ydeevne over et stort temperaturområde f.eks. Til anvendelse i præcisionsinstrumenter. Men også i hverdagen kræves materialer med et CTE tæt på nul. Glas-keramiske kogeplader som Ceran kogeplader skal kunne modstå store temperaturforskelle gradienter og hurtige ændringer i temperaturen, mens madlavning , fordi kun visse dele af de cooktops vil blive opvarmet mens andre dele bo tæt på omgivelsestemperatur . Generelt kan gradienter i glas på grund af dets sprødhed forårsage revner. Imidlertid består den glaskeramik, der bruges i kogeplader, af flere forskellige faser, hvoraf nogle udviser positiv og nogle andre udviser negativ termisk ekspansion. Udvidelsen af de forskellige faser kompenserer hinanden, så der ikke sker meget ændring i glaskeramikkens volumen med temperatur og revnedannelse undgås.

Et eksempel på dagligdagen for behovet for materialer med skræddersyet termisk ekspansion er tandfyldninger . Hvis fyldningerne har en tendens til at ekspandere med en anden mængde end tænderne , for eksempel når man drikker en varm eller kold drink, kan det forårsage tandpine . Hvis tandfyldninger imidlertid er fremstillet af et kompositmateriale, der indeholder en blanding af materialer med positiv og negativ termisk ekspansion, kan den samlede ekspansion præcist skræddersyes til tandemaljen .

Referencer

Yderligere læsning

Miller, W .; Smith, CW; MacKenzie, DS; Evans, KE (2009). "Negativ termisk ekspansion: en anmeldelse". Journal of Materials Science . 44 (20): 5441–5451. Bibcode : 2009JMatS..44.5441M . doi : 10.1007/s10853-009-3692-4 . S2CID 137550622 .
Li, J .; Yokochi, A .; Amos, TG; Sleight, AW (2002). "Stærk negativ termisk ekspansion langs O -Cu − O -forbindelsen i CuScO2". Kemi af materialer . 14 (6): 2602–2606. doi : 10.1021/cm011633v .
Noailles, LD; Peng, H.-h .; Starkovich, J .; Dunn, B. (2004). "Termisk ekspansion og fasedannelse af ZrW
₂O
₈Aerogels ". Materialekemi . 16 (7): 1252–1259. Doi : 10.1021/cm034791q .
Grzechnik, A .; Crichton, WA; Syassen, K .; Adler, P .; Mezouar, M. (2001). "En ny polymorf af ZrW
₂O
₈Syntetiseret ved høje tryk og høje temperaturer ". Materialekemi . 13 (11): 4255–4259. Doi : 10.1021/cm011126d .
Sanson, A .; Rocca, F .; Dalba, G .; Fornasini, P .; Grisenti, R .; Dapiaggi, M .; Artioli, G. (2006). "Negativ termisk ekspansion og lokal dynamik i Cu
₂O og Ag
₂O ." Physical Review B . 73 (21): 214305. bibcode : 2006PhRvB..73u4305S . Doi : 10,1103 / PhysRevB.73.214305 .
Bhange, DS; Ramaswamy, Veda (2006). "Negativ termisk ekspansion i silicalite-1 og zirconium silicalite-1 med MFI-struktur". Materialeforskningsbulletin . 41 (7): 1392–1402. CiteSeerX 10.1.1.561.4881 . doi : 10.1016/j.materresbull.2005.12.002 .
Liu, Z.-K .; Wang, Yi; Shang, S.-L. (2011). "Oprindelse af negativ termisk ekspansion i faste stoffer". Scripta Materialia . 65 (8): 664–667. doi : 10.1016/j.scriptamat.2011.07.001 .

Languages

In other projects