Jump to content

Отрицательное тепловое расширение

Отрицательное тепловое расширение ( NTE ) — это необычный физико-химический процесс, в котором некоторые материалы сжимаются при нагревании, а не расширяются , как это происходит с большинством других материалов. Наиболее известным материалом с NTE является вода при температуре от 0 до 3,98 °C. Кроме того, плотность твердой воды (льда) ниже плотности жидкой воды при стандартном давлении. NTE воды является причиной того, что водяной лед плавает, а не тонет в жидкой воде. Материалы, подвергающиеся NTE, имеют ряд потенциальных инженерных , фотонных , электронных и конструкционных применений. Например, если смешать материал с отрицательным тепловым расширением с «нормальным» материалом, который расширяется при нагревании, можно было бы использовать его в качестве компенсатора теплового расширения, который мог бы позволить формировать композиты с заданным или даже близким к нулю тепловым расширением. расширение.

Происхождение отрицательного теплового расширения

[ редактировать ]

Существует ряд физических процессов, которые могут вызвать сжатие при повышении температуры, включая поперечные колебательные моды, режимы жестких единиц и фазовые переходы .

В 2011 году Лю и др. [1] показали, что явление NTE возникает из-за существования конфигураций высокого давления и небольшого объема с более высокой энтропией, причем их конфигурации присутствуют в стабильной фазовой матрице за счет тепловых флуктуаций. Они смогли предсказать как колоссальное положительное тепловое расширение (в церии), так и нулевое и бесконечное отрицательное тепловое расширение (в Fe
3
Пт
). [2] Альтернативно, большое отрицательное и положительное тепловое расширение может быть результатом конструкции внутренней микроструктуры. [3]

Отрицательное тепловое расширение в плотноупакованных системах.

[ редактировать ]

Отрицательное тепловое расширение обычно наблюдается в неплотноупакованных системах с направленными взаимодействиями (например, лед , графен и т. д.) и комплексных соединениях (например, Cu
, ЗрВ
2

8
, бета-кварц, некоторые цеолиты и др.). Однако в статье [4] показано, что отрицательное тепловое расширение (ОТР) реализуется и в однокомпонентных плотноупакованных решетках с парными центральными силовыми взаимодействиями. предлагается следующее достаточное условие потенциала, вызывающего поведение NTE Для межатомного потенциала : , на равновесном расстоянии : где является сокращением третьей производной межатомного потенциала в точке равновесия:

Это условие является (i) необходимым и достаточным в 1D и (ii) достаточным, но не необходимым в 2D и 3D. приближенное необходимое и достаточное условие. В статье получено [5] где – размерность пространства. Таким образом, в 2D и 3D отрицательное тепловое расширение в плотноупакованных системах с парными взаимодействиями реализуется даже тогда, когда третья производная потенциала равна нулю или даже отрицательна. Заметим, что одномерный и многомерный случаи качественно различны. В 1D тепловое расширение вызвано только ангармонизмом межатомного потенциала . Следовательно, знак коэффициента теплового расширения определяется знаком третьей производной потенциала. В многомерном случае также присутствует геометрическая нелинейность, т.е. колебания решетки нелинейны даже в случае гармонического межатомного потенциала. Эта нелинейность способствует тепловому расширению. Следовательно, в многомерном случае оба и присутствуют в условиях отрицательного теплового расширения.

Материалы

[ редактировать ]

Возможно, одним из наиболее изученных материалов, демонстрирующих отрицательное тепловое расширение, является вольфрамат циркония ( ZrW
2

8
). Это соединение непрерывно сжимается в диапазоне температур от 0,3 до 1050 К (при более высоких температурах материал разлагается). [6] Другие материалы, демонстрирующие поведение NTE, включают других членов AM.
2

8
семейств материалов (где A = Zr или Hf , M = Mo или W ) и HfV
2

7
и ЗрВ
2

7
, хотя HfV
2

7
и ЗрВ
2

7
начиная с 350–400 К. только в высокотемпературной фазе , [7] А
2
( МО
4
)
3
также является примером контролируемого отрицательного теплового расширения. Кубические материалы, такие как ZrW
2

8,
а также HfV
2

7
и ЗрВ
2

7
особенно ценны для применения в технике, поскольку они демонстрируют изотропный NTE, т.е. NTE одинаков во всех трех измерениях , что упрощает их применение в качестве компенсаторов теплового расширения. [8]

Обычный лед демонстрирует NTE в гексагональной и кубической фазах при очень низких температурах (ниже –200 °C). [9] В жидкой форме чистая вода также имеет отрицательное тепловое расширение при температуре ниже 3,984 °C.

ALLVAR Alloy 30, сплав на основе титана, демонстрирует NTE в широком диапазоне температур с мгновенным коэффициентом теплового расширения -30 ppm/°C при 20°C. [10] Отрицательное тепловое расширение ALLVAR Alloy 30 анизотропно. Этот коммерчески доступный материал используется в оптике, аэрокосмической и криогенной промышленности в виде оптических прокладок, предотвращающих термическую дефокусировку, сверхстабильных стоек и шайб для термостойких болтовых соединений. [11]

Углеродные волокна демонстрируют NTE при температуре от 20°C до 500°C. [12] Это свойство используется в авиакосмической промышленности с жесткими допусками для адаптации КТР компонентов из армированного углеродным волокном пластика для конкретных применений/условий путем регулирования соотношения углеродного волокна к пластику и путем регулирования ориентации углеродных волокон внутри детали.

Кварц ( SiO
2
), а ряд цеолитов также демонстрируют NTE в определенных температурных диапазонах. [13] [14] Довольно чистый кремний (Si) имеет отрицательный коэффициент теплового расширения при температурах от 18 до 120 К. [15] Кубический трифторид скандия обладает этим свойством, которое объясняется четвертичным колебанием ионов фтора. Энергия, запасенная в изгибной деформации иона фтора, пропорциональна четвертой степени угла смещения, в отличие от большинства других материалов, где она пропорциональна квадрату смещения. Атом фтора связан с двумя атомами скандия, и с увеличением температуры фтор колеблется более перпендикулярно его связям. Это сближает атомы скандия по всему материалу и сжимает его. [16] ScF
3
демонстрирует это свойство в диапазоне от 10 до 1100 К, выше которого наблюдается нормальное положительное тепловое расширение. [17] Сплавы с памятью формы, такие как NiTi, представляют собой новый класс материалов, которые обладают нулевым и отрицательным тепловым расширением. [18] [19]

Приложения

[ редактировать ]

Формирование композита из материала с (обычным) положительным тепловым расширением с материалом с (аномальным) отрицательным тепловым расширением может позволить адаптировать тепловое расширение композитов или даже иметь композиты с тепловым расширением, близким к нулю. Таким образом, отрицательное и положительное тепловые расширения до некоторой степени компенсируют друг друга при температуры изменении . Приведение общего коэффициента теплового расширения (КТР) к определенному значению может быть достигнуто путем изменения объемных долей различных материалов, способствующих термическому расширению композита. [8] [20]

Особенно в технике существует потребность в материалах с КТР, близким к нулю, т.е. с постоянными характеристиками в широком диапазоне температур, например, для применения в прецизионных приборах. Но и в быту требуются материалы с КТР, близким к нулю. Стеклокерамические варочные панели, такие как варочные панели Ceran, должны выдерживать большие температурные градиенты и быстрые изменения температуры во время приготовления пищи , поскольку только определенные части варочных панелей будут нагреваться, в то время как другие части остаются близкими к температуре окружающей среды . В общем, из-за своей хрупкости перепады температур в стекле могут привести к появлению трещин. Однако стеклокерамика, используемая в варочных панелях, состоит из множества различных фаз, некоторые из которых имеют положительное, а некоторые - отрицательное тепловое расширение. Расширение различных фаз компенсирует друг друга, поэтому объем стеклокерамики не сильно меняется при изменении температуры и предотвращается образование трещин.

Примером из повседневной жизни, объясняющим необходимость использования материалов с индивидуальным тепловым расширением, являются зубные пломбы . Если пломбы имеют тенденцию расширяться на величину, отличную от размеров зубов , например, при употреблении горячего или холодного напитка, это может вызвать зубную боль . Однако если зубные пломбы изготовлены из композитного материала, содержащего смесь материалов с положительным и отрицательным тепловым расширением, тогда общее расширение может быть точно адаптировано к расширению зубной эмали .

  1. ^ Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи; Шан, Шун-Ли (2011). «Происхождение явления отрицательного теплового расширения в твердых телах». Скрипта Материалия . 65 (8): 664–667. дои : 10.1016/j.scriptamat.2011.07.001 .
  2. ^ Лю, Цзы-Куй; Ван, Йи; Шан, Шуньли (2014). «Аномалия теплового расширения, регулируемая энтропией» . Научные отчеты . 4 : 7043. Бибкод : 2014NatSR...4E7043L . дои : 10.1038/srep07043 . ПМК   4229665 . ПМИД   25391631 .
  3. ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель; Миссерони, Диего (2019). «Микроструктурированная среда с большим изотропным отрицательным тепловым расширением» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 475 (2232): 7043. Бибкод : 2019RSPSA.47590468C . дои : 10.1098/rspa.2019.0468 . ПМК   6936614 . ПМИД   31892835 .
  4. ^ Рехтсман, MC; Стиллингер, Ф.Х.; Торквато, С. (2007), «Отрицательное тепловое расширение в однокомпонентных системах с изотропными взаимодействиями», Журнал физической химии A , 111 (49): 12816–12821, arXiv : 0807.3559 , Bibcode : 2007JPCA..11112816R , doi : 10.1021/jp076859l , PMID   17988108 , S2CID   8612584
  5. ^ Кузькин, Виталий А. (2014), «Комментарий к теме «Отрицательное тепловое расширение в однокомпонентных системах с изотропными взаимодействиями », Журнал физической химии A , 118 (41): 9793–4, Bibcode : 2014JPCA..118.9793K , doi : 10.1021/jp509140n , PMID   25245826
  6. ^ Мэри, штат Калифорния; Эванс, JSO; Фогт, Т.; Слейт, AW (1996). «Отрицательное тепловое расширение от 0,3 до 1050 Кельвина в ZrW
    2

    8
    ". Science . 272 ​​(5258): 90–92. Бибкод : 1996Sci...272...90M . doi : 10.1126/science.272.5258.90 . S2CID   54599739 .
  7. ^ Хисасиге, Тецуо; Ямагучи, Теппей; Цудзи, Тошихидэ; Ямамура, Ясухиса (2006). «Фазовый переход твердых растворов Zr1-xHfxV2O7, имеющих отрицательное тепловое расширение» . Журнал Керамического общества Японии . 114 (1331): 607–611. дои : 10.2109/jcersj.114.607 . ISSN   0914-5400 .
  8. ^ Jump up to: а б Дав, Мартин Т; Фанг, Хун (01 июня 2016 г.). «Отрицательное тепловое расширение и связанные с ним аномальные физические свойства: обзор теоретических основ динамики решетки». Отчеты о прогрессе в физике . 79 (6): 066503. Бибкод : 2016RPPh...79f6503D . дои : 10.1088/0034-4885/79/6/066503 . ISSN   0034-4885 . ПМИД   27177210 . S2CID   6304108 .
  9. ^ Реттгер, К.; Эндрисс, А.; Ирингер, Дж.; Дойл, С.; Кухс, ВФ (1994). «Постоянные решетки и тепловое расширение H
    2
    О
    и Д
    2
    O
    лед Ih между 10 и 265 К». Acta Crystallographica Раздел B. 50 ( 6): 644–648. Бибкод : 1994AcCrB..50..644R . doi : 10.1107/S0108768194004933 .
  10. ^ Монро, Джеймс А. (10 июля 2018 г.). «Сплавы ALLVAR с отрицательным тепловым расширением для телескопов». В Наварро Рамон; Гейл, Роланд (ред.). Достижения в области оптических и механических технологий для телескопов и приборов III . Астрономические телескопы SPIE + приборы, Остин. п. 26. Бибкод : 2018SPIE10706E..0RM . дои : 10.1117/12.2314657 . ISBN  9781510619654 . S2CID   140068490 .
  11. ^ «Продукты и приложения» . АЛЛВАР Сплавы . Проверено 12 апреля 2022 г.
  12. ^ Куде, Ю.; Сода, Ю. (1997). «Термический контроль углерод-углеродных композитов с помощью метода функционально-градуированного расположения волокон». В Сиоте, Ичиро; Миямото, Ёсинари (ред.). Функционально классифицированные материалы 1996 . Elsevier Science BV, стр. 239–244. дои : 10.1016/B978-044482548-3/50040-8 . ISBN  9780444825483 . Проверено 17 сентября 2020 г.
  13. ^ Лайтфут, Филип; Вудкок, Дэвид А.; Мэйпл, Мартин Дж.; Вильяэскуса, Луис А.; Райт, Пол А. (2001). «Широкое распространение отрицательного теплового расширения в цеолитах». Журнал химии материалов . 11 : 212–216. дои : 10.1039/b002950p .
  14. ^ Аттфилд, Мартин П. (1998). «Сильное отрицательное тепловое расширение кремнистого фожазита». Химические коммуникации (5): 601–602. дои : 10.1039/A707141H .
  15. ^ Буллис, В. Мюррей (1990). «Глава 6» . В О'Маре, Уильям К.; Херринг, Роберт Б.; Хант, Ли П. (ред.). Справочник по полупроводниковой кремниевой технологии . Парк-Ридж, Нью-Джерси: Публикации Нойеса. п. 431. ИСБН  978-0-8155-1237-0 . Проверено 11 июля 2010 г.
  16. ^ Ву, Маркус (7 ноября 2011 г.). «Невероятно сжимающийся материал: инженеры раскрывают, как трифторид скандия сжимается при нагревании» . Физорг . Проверено 8 ноября 2011 г.
  17. ^ Греве, Бенджамин К.; Кеннет Л. Мартин; Питер Л. Ли; Питер Дж. Чупас; Карена В. Чепмен; Ангус П. Уилкинсон (19 октября 2010 г.). «Выраженное отрицательное тепловое расширение простой структуры: кубического ScF.
    3
    ". Журнал Американского химического общества . 132 (44): 15496–15498. doi : 10.1021/ja106711v . PMID   20958035 .
  18. ^ Реттгер, К.; Эндрисс, А.; Ирингер, Дж.; Дойл, С.; Кухс, ВФ (1994). «Константы решетки и тепловое расширение льда H2O и D2O Ih между 10 и 265 К». Acta Crystallographica Раздел B. 50 (6): 644–648. Бибкод : 1994AcCrB..50..644R . дои : 10.1107/S0108768194004933 .
  19. ^ Ахади, А.; Мацусита, Ю.; Савагути, Т.; Вс, QP; Цучия, К. (2017). «Происхождение нулевого и отрицательного теплового расширения в сильно деформированном сверхэластичном сплаве Ni Ti ». Акта Материалия . 124 : 79–92. Бибкод : 2017AcMat.124...79A . дои : 10.1016/j.actamat.2016.10.054 .
  20. ^ Такенака, Коси (февраль 2012 г.). «Материалы с отрицательным термическим расширением: технологический ключ к контролю теплового расширения» . Наука и технология перспективных материалов . 13 (1): 013001. Бибкод : 2012STAdM..13a3001T . дои : 10.1088/1468-6996/13/1/013001 . ISSN   1468-6996 . ПМК   5090290 . ПМИД   27877465 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c50d0b4abd31b5c55c7b2ba5f67eba45__1722812640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c5/45/c50d0b4abd31b5c55c7b2ba5f67eba45.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Negative thermal expansion - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)