大多數固體材料加熱時體積膨脹，表現出正熱膨脹（PTE）。在光學、精密儀器和航空航天等領域，材料在環境溫度變化過程中的熱膨脹導致了巨大的尺寸變化使元件失效，極大地降低了器件精度和使用壽命。因此，控制材料的熱膨脹是高精度工業的一個關鍵問題。傳統的低膨脹材料，如因瓦合金，其比重大，熱膨脹區間較小；零膨脹微晶玻璃，其脆性大，加工難度大。這些特點嚴重限制了它們的實際應用，因此，亟待開發出一種輕質、高強的寬溫區近零膨脹材料。

哈爾濱工業大學周暢、武高輝教授團隊首次創新性地將增強體構型設計引入負熱膨脹（NTE）顆粒增強Al基復合材料中，通過壓力浸滲法成功制備了近零膨脹雙連通鎢酸鋯鋁基復合材料。相關研究成果發表在復合材料頂刊《Composites Part B: Engineering》上（Near-zero thermal expansion of ZrW2O8/Al–Si composites with three dimensional interpenetrating network structure）。鎢酸鋯的構型設計使復合材料中雙相形成雙連通結構，在增強體負熱膨脹效應和雙連通構型抑制熱膨脹的雙重耦合作用下，首次在寬溫區內實現了近零膨脹。

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108678

鎢酸鋯作為一種典型的NTE材料，在極寬的溫度范圍內具有較大的負熱膨脹系數（α=-8.1×10?6 K?1，-273°C至777°C）。在之前對ZrW2O8/Al的大量研究中，他們發現由于NTE- ZrW2O8和PTE-Al基體之間的熱膨脹系數差異較大而產生的巨大熱失配應力（~1Gpa）會使α- ZrW2O8（α=-8.1×10?6 K?1）轉變為γ- ZrW2O8（高壓相，α=-1×10?6 K?1），并且這個過程伴隨有5%的體積膨脹，大量的γ- ZrW2O8顯著降低了復合材料的熱膨脹行為。此外，殘余應力誘導產生嚴重的鑄造缺陷，如微裂紋、空洞等，導致力學性能下降。

通過首次在負熱膨脹顆粒中引入雙連通的陶瓷骨架，可以大幅減少應力集中現象。使用針尖增強Raman表征發現雙連通網絡結構使復合材料中的熱應力得以釋放，γ相（高壓相）含量大大降低。并且連續的陶瓷網絡抑制了鋁基體的膨脹，因此具有超低的熱膨脹性能。在64%體積分數下，相較于顆粒增強ZrW2O8/Al復合材料，雙連通ZrW2O8/Al復合材料的γ相（高壓相）含量從68.1%下降到18.7%，在?50～120℃（ΔT=170°C）范圍內熱膨脹系數從3.21×10?6 K?1下降到1.09×10?6 K?1，在精密儀器領域具有廣闊的應用前景。相關工作得到了黑龍江省頭雁計劃、中國博士后特別資助的大力支持。

圖1. a）b）不同放大倍數的ZrW2O8顆粒的SEM圖像；c）d）55pZWAL和64pZWAL復合材料的拋光表面顯微圖，白色區域為ZrW2O8顆粒，黑色區域為鋁基體；e）f）不同放大倍數的多孔ZrW2O8顆粒的SEM形貌；g）h）54iZWAL和64iZWAL雙連通復合材料的拋光表面顯微圖復合材料；i）雙連通ZrW2O8/Al復合材料的EDS圖譜

圖2.a）55pZWAL的光學顯微鏡圖像和示意圖;b）55pZWAL的拉曼光譜;c）55pZWAL的應力分布示意圖;d）e）54iZWAL中ZrW2O8內部拉曼連續點掃描圖譜;g）h）54iZWAL中ZrW2O8內部到基體邊界拉曼連續點掃描圖譜;f）54iZWAL應力分布示意圖

圖3. ZrW2O8/Al復合材料熱處理前后的熱膨脹曲線

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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