Metallegering viser praktisk talt ingen termisk ekspansion over ekstremt stort temperaturinterval

De fleste metaller udvides, når deres temperatur stiger. Eiffeltårnet er for eksempel ca. 10 til 15 centimeter højere om sommeren end om vinteren på grund af dets termiske ekspansion. Imidlertid er denne effekt ekstremt uønsket til mange tekniske applikationer.

Af denne grund har forskere længe søgt efter materialer, der altid har samme længde uanset temperaturen. Invar, for eksempel, en legering af jern og nikkel, er kendt for sin ekstremt lave termiske ekspansion. Hvordan denne egenskab kan forklares fysisk, var imidlertid ikke helt klar indtil nu.

Nu har et samarbejde mellem teoretiske forskere ved Tu Wien (Wien) og eksperimentelle ved University of Science and Technology Beijing ført til et afgørende gennembrud.

Ved hjælp af komplekse computersimuleringer har det været muligt at forstå den invarmede effekt i detaljer og således udvikle en såkaldt pyrochlore-magnet-en legering, der har endnu bedre termiske ekspansionsegenskaber end INVAR. Over et ekstremt bredt temperaturområde på mere end 400 Kelvins ændres dens længde kun med ca. en ti tusinddel på 1% pr. Kelvin. Forskningen offentliggøres i National Science Review.

Termisk ekspansion og dens antagonist

“Jo højere temperatur i et materiale, jo mere er atomerne en tendens til at bevæge sig – og når atomerne bevæger sig mere, har de brug for mere plads. Den gennemsnitlige afstand mellem dem øges,” forklarer Dr. Sergii Khmelevskyi fra Wien Scientific Cluster (VSC) Research Center i Tu Wien. “Denne effekt er grundlaget for termisk ekspansion og kan ikke forhindres. Men det er muligt at fremstille materialer, hvori det næsten er nøjagtigt afbalanceret af en anden, kompenserende virkning.”

Dr. Khmelevskyi og hans team udviklede komplekse computersimuleringer, der kan bruges til at analysere opførelsen af ​​magnetiske materialer ved endelig temperatur på atomniveau. “Dette gjorde det muligt for os bedre at forstå grunden til, at invarisk næppe udvides overhovedet,” siger Dr. Khmelevskyi. “Virkningen skyldes visse elektroner, der ændrer deres tilstand, når temperaturen stiger. Den magnetiske rækkefølge i materialet falder, hvilket får materialet til at trække sig sammen. Denne effekt annullerer næsten nøjagtigt den sædvanlige termiske ekspansion.”

Det havde allerede været kendt, at den magnetiske rækkefølge i materialet er ansvarlig for den invarmeffekt. Men kun med computersimuleringerne fra Wien blev det muligt at forstå detaljerne i denne proces så præcist, at forudsigelser for andre materialer kunne foretages. “For første gang er en teori tilgængelig, der kan fremsætte konkrete forudsigelser for udviklingen af ​​nye materialer med forsvindende termisk ekspansion,” siger Dr. Khmelevskyi.

Pyrochlore -magneten med Kagome -fly

For at teste disse forudsigelser i praksis arbejdede Dr. Khmelevskyi sammen med det eksperimentelle team af prof. Xianran Xing og Ass. Professor Yili Cao fra Institute of the Solid State Chemistry for University of Science and Technology Beijing. Resultatet af dette samarbejde er nu blevet præsenteret: den såkaldte pyrochlore-magnet.

I modsætning til tidligere invariske legeringer, der kun består af to forskellige metaller, har pyrochlore -magneten fire komponenter: zirconium, niobium, jern og kobolt. “Det er et materiale med en ekstremt lav koefficient for termisk ekspansion over et hidtil uset bredt temperaturområde,” siger Cao.

Denne bemærkelsesværdige temperaturadfærd har at gøre med det faktum, at pyrochlore -magneten ikke har en perfekt gitterstruktur, der altid gentager sig på nøjagtigt samme måde. Materialets sammensætning er ikke den samme på hvert tidspunkt, det er heterogen. Nogle områder indeholder lidt mere kobolt, nogle lidt mindre.

Begge delsystemer reagerer forskelligt på temperaturændringer. Dette gør det muligt for detaljerne om materialesammensætningen at være afbalanceret punkt for punkt på en sådan måde, at den samlede temperaturudvidelse er næsten nøjagtigt nul.

Materialet kan være af særlig interesse i anvendelser med ekstreme temperatursvingninger eller præcise målingsteknikker, såsom i luftfart, rumfart eller elektroniske komponenter med høj præcision.