Nyt krystallinsk oxid kan løse problemet med overophedning i kompositmaterialer

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har for nylig syntetiseret et nyt materiale, der viser unikke termiske ekspansionsegenskaber. Metoden anvendt af forskerne muliggør fremstilling af et unikt krystallinsk oxid indeholdende zirconium, svovl, og fosfor, der udviser to forskellige mekanismer for negativ termisk udvidelse. Dette er det første kendte materiale, der viser denne egenskab, og dets anvendelse kan hjælpe med at undgå skader på kompositmaterialer, såsom computerchipkomponenter, står over for uventede temperaturændringer.

De fleste materialer har tendens til at udvide sig, når de opvarmes, når atomerne bevæger sig fra hinanden. Udvidbarheden af ​​materialer under varme måles ved hjælp af termisk udvidelseskoefficient (CTE). De fleste af de nuværende materialer i industrikvalitet har en positiv CTE, får dem til at fungere dårligt, når de udsættes for mere 'ekstreme' temperaturer. Imidlertid, nogle materialer oplever den modsatte effekt, krymper ved højere temperaturer. Denne usædvanlige proces, kendt som negativ termisk udvidelse, kan hjælpe med at løse problemet med varmeskader på kompositmaterialer.

Et team af videnskabsmænd ved Tokyo Institute of Technology ledet af Associate Prof. Toshihiro Isobe har forsket i materialer med negativ CTE. Som Dr. Isobe forklarer, "Negativ termisk ekspansionsadfærd kan primært tilskrives to typer mekanismer, faseovergang og mekanisme af rammetype." Begge disse mekanismer har fundet industriel anvendelse, da begge har fordele og ulemper. Materialer af faseovergangstype har store negative CTE'er, men snævre brugbare temperaturområder, hvilket begrænser deres operationelle brug, især som fyldstoffer i kompositmaterialer. Materialer af rammetype, på den anden side, vise termisk svind over et bredt temperaturområde, men fordi de har små absolutte CTE-værdier, de er nødvendige i store mængder for at opnå det ønskede resultat. Årevis, videnskabsmænd har ledt efter et passende kompromis mellem de to, men materialer, der er i stand til at gennemgå begge mekanismer med negativ termisk ekspansion, er aldrig blevet rapporteret, indtil nu.

I deres nye undersøgelse, udgivet i NPG Asia materialer , Dr. Isobe og hans team rapporterer om en metode til at syntetisere en ny krystallinsk oxid lavet af zirconium, svovl, og fosfor, og beskriv dens egenskaber. Denne krystal, den kemiske formel, som er Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ , beskrives af Dr. Isobe som "et negativt CTE-materiale, som viser både overgangs- og ramme-type mekanismer, når det opvarmes."

Forskerne fandt ud af, at mens Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ udviser begge mekanismer af negativ termisk mekanisme nævnt tidligere, man kan være dominerende ved en given temperatur. For eksempel, mellem 393K (omtrent 120°C) og 453K (ca. 180°C), materialet krympede hurtigt, og nogle af de strukturelle enheder blev deformeret, hvilket indikerer en faseovergang. Imidlertid, over og under dette temperaturområde, sammentrækningen var ikke så udtalt, og forskerne observerede i stedet små ændringer i længden og vinklen af ​​bindinger mellem atomer, et kendetegn ved en ramme-type mekanisme.

Forskerne bemærkede også et interessant fænomen. De fandt ud af, at krystallerne, der indeholdt færre svovlatomer i gitteret, blev lettere deformeret under faseovergangen (120-180°C), resulterer i en større sammentrækning af materialet (højere negativ CTE). Dette kan hjælpe med at producere Zr ₂ SP ₂ O ₁₂ krystaller med den ønskede CTE til specifikke applikationer.

Dette nye krystallinske materiale og mekanismen for dets produktion kunne bane vejen for syntesen af ​​forbindelser med en lignende dobbeltmekanisme. Denne måde, materialeingeniører ville være i stand til at vælge forbindelser med specifikke egenskaber for at skræddersy ydeevnen af ​​fremstillede materialer til specifikke driftsforhold.