LaFe_10.6Co_1.0Si_1.4在宽温区范围内的零热膨胀行为研究

【作者】 周厚博； 胡凤霞； 沈保根；

【机构】 中国科学院物理研究所；

【摘要】 众所周知,自然界中绝大部分材料都表现为受热膨胀的正热膨胀（PTE）性质。尽管这种热膨胀行为只会使得材料产生10^-5左右的长度变化,但对于一些精密仪器或器件,例如光纤光栅仪等,这种程度的变化却会极大的影响其性能。因此,反常热膨胀材料（零热膨胀,ZTE,和负热膨胀,NTE）成为了目前材料研究领域中的焦点之一^[1-2]。零热膨胀材料具有在热冲击下体积几乎保持不变的特性,在现代精密工业领域中迫切需要。目前,利用具有负热膨胀行为的补偿材料与正热膨胀材料的复合被认为是获得ZTE行为最有效的方式,典型的补偿材料有:ZrW₂O₈-基化合物,PbTiO_3-基化合物,反钙钛矿Mn基化合物等。此外,也可以利用改变化学成分调控材料的NTE行为以获得接近零的热膨胀,但对于金属基化合物而言,宽温跨的零热膨胀材料却非常罕见。在这里,我们报告了一种在LaFe_10.6Co_1.0Si_1.4中的ZTE。通过在Fe位点进行Co元素部分共掺杂,在较宽的温度范围（5-250K）内发现LaFe_10.6Co_1.0Si_1.4可忽略的热膨胀系数(α～4.5×10^-8 K^-1),甚至优于大多数报道的非金属基零热膨胀材料和著名的因瓦合金Fe_0.65Ni_0.35 (αl～1.5×10^-6 K-1,193-373K)^[4]。LaFe_10.6Co_1.0Si_1.4的ZTE特性是由于Fe磁矩引起的自发磁致伸缩的负贡献与非谐晶格振动引起的正热膨胀的正作用之间的平衡而形成的。Co的引入抑制了铁磁区内的自发磁致伸缩,引起在ZTE温度区间内,二十面体间的B₄Fe-Fe键表现为负的热膨胀,而二十面体内B1,B2,B3键长表现为显著的正热膨胀,各Fe-Fe键长随温度的不同演变导致宽温区内几乎为零的晶胞体积变化,这一规律与具有典型负热膨胀的无Co掺杂LaFe_11.6Si_1.4相反（见图1b,c）。此外,其力学性能比报道的具有ZTE特性的氢化物LaFe_11.0Si_2.0H_δ粉末显著增强,表现为机械加工后保持了形状的完整性。我们的工作突出了一种在金属基磁热材料中产生超低热膨胀的有利方法,为满足精密工业应用的诉求提供了新策略。更多还原