Ученые разработали новый сплав, состоящий из нескольких металлов, который практически не демонстрирует теплового расширения в чрезвычайно широком диапазоне температур. Большинство металлов расширяются при повышении температуры. Например, Эйфелева башня летом на 10–15 сантиметров выше, чем зимой, из-за теплового расширения. Однако для многих технических приложений этот эффект крайне нежелателен.

Большинство металлов расширяются при нагревании, но такие материалы, как Инкар, сопротивляются этому расширению из-за изменений магнитной последовательности. Исследователи из Технологического университета Вены и Университета науки и технологий в Пекине использовали моделирование, чтобы понять этот эффект, что привело к разработке магнита из термозеленого камня с лучшей термической стабильностью в широком диапазоне температур. Источник: Венский технический университет.

Поэтому исследователи уже давно ищут материалы, которые сохраняют постоянную длину независимо от температуры. Одним из таких материалов является инвар (неизмененная сталь), железо-никелевый сплав, известный своим чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения. Однако до недавнего времени физическое объяснение этого свойства оставалось неясным.

Теперь исследователи-теоретики Венского технического университета (TUWien) в сотрудничестве с экспериментаторами Пекинского университета науки и технологий добились крупного прорыва. Используя сложное компьютерное моделирование, они детально выявили эффект инвара и разработали так называемый пирохлоровый магнит — сплав с еще лучшими свойствами теплового расширения, чем у инвара. В чрезвычайно широком диапазоне температур, превышающем 400 Кельвинов, его длина меняется всего лишь примерно на одну десятитысячную на Кельвин.

Тепловое расширение и его противоположность

«Чем выше температура материала, тем больше склонность атомов к движению, и чем больше движение атомов, тем больше места требуется. Среднее расстояние между ними увеличивается», — объясняет доктор Сергей Хмелевский из исследовательского центра Венского научного кластера (VSC) Венского технического университета. «Этот эффект лежит в основе теплового расширения, и его нельзя избежать. Однако мы можем создавать материалы, в которых он почти полностью компенсируется другим компенсирующим эффектом».

Сергей Хмелевский и его команда разработали сложное компьютерное моделирование, которое можно использовать для анализа поведения магнитных материалов на атомном уровне при конечных температурах. «Это позволяет нам лучше понять, почему «Инвар» почти не расширяется», — говорит Хмелевский. «Этот эффект возникает из-за того, что определенные электроны меняют свое состояние при повышении температуры. Магнитный порядок в материале снижается, что приводит к его усадке. Этот эффект почти полностью компенсирует обычное тепловое расширение».

Уже известно, что за эффект Инвара ответственен магнитный порядок в материалах. Но только благодаря компьютерному моделированию в Вене стало возможным понять детали этого процесса настолько точно, что можно делать прогнозы для других материалов. «Это первый случай, когда теория может конкретно предсказать разработку новых материалов, в которых исчезает тепловое расширение», — сказал Сергей-Хмелевский.

Пирохлоровый магнит с плоской поверхностью Кагоме.

Чтобы проверить эти предсказания на практике, Сергей Хмелевский сотрудничал с экспериментальной группой профессора Сяньраня Сина и доцента Или Цао из Института химии твердого тела Пекинского университета науки и технологий. Результат этого сотрудничества теперь доступен: так называемые пирохлормагниты.

В отличие от предыдущих инварных сплавов, которые состояли всего из двух разных металлов, пирохлоровые магниты состоят из четырех компонентов: циркония, ниобия, железа и кобальта. «Это материал с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения в беспрецедентно широком диапазоне температур», — сказал ИлиКао.

Такое необычное температурное поведение связано с тем, что пирохлоровые магниты не имеют идеальной структуры решетки, которая не всегда повторяется совершенно одинаково. Состав материала не одинаков в каждой точке, он неоднороден. В некоторых областях кобальта немного больше, а в некоторых - немного меньше. Две подсистемы по-разному реагируют на изменения температуры. Это позволяет сбалансировать детали состава материала по точкам, так что общее температурное расширение практически равно нулю.

Этот материал может быть особенно полезен в приложениях, где колебания температуры экстремальны или методы измерения точны, например, в авиации, аэрокосмической отрасли или в высокоточных электронных компонентах.

Составлено из /ScitechDaily