Новости химической науки > Новая керамика справляется с нагревом

Исследователи из Великобритании создали новую оксидный керамический материал с регулируемым тепловым расширением: способность оксидной керамики к расширению, сжатию или сохранению в неизмененном виде в ответ на нагрев зависит от соотношения ключевых компонентов, используемых для ее создания.

Материал с регулируемым тепловым расширением мог бы использоваться в ряде практических применений, как например, выключатели и сенсоры. Материалам же с нулевым тепловым расширением по широкому температурному ряду стремились найти применение в высокоточном машиностроении.

В то время как большинство материалов расширяются во время нагрева, все-таки существует небольшое число материалов, которые сжимаются: у них отрицательный коэффициент теплового расширения. Для получения материала с нулевым тепловым расширением ученые создали композиты из материалов с положительным и отрицательным коэффициентами теплового расширения. Однако напряжение, возникающее на границе раздела двух фаз в таком композитном материале, может отрицательно сказаться на его прочности.

Октаэдр оксида олова обозначен зеленым цветом, тетраэдр оксида молибдена – желтым/розовым цветом с их расположением, обусловленным нагревом. (Рисунок из J. Am.Chem. Soc., 2013, DOI: 10.1021/ja4060564)

В настоящее время группа исследователей под руководством Джона Эванса (John Evans) из Даремского университета создала то, что можно считать, первым однофазным материалом, свойства которого можно регулировать по всему ряду теплового расширения – от положительного, через нулевой, и до отрицательного коэффициента теплового расширения.

Смешанный оксид ZrMo₂O₈ является хорошо охарактеризованным соединением, которое отличается отрицательным коэффициентом теплового расширения. К своему удивлению группа Эванса обнаружила, что оловосодержащий аналог этого кубического материала в виде соединения олова SnMo₂O₈ расширяется при нагревании.

Исследователи посчитали, что можно было бы заменить несколько циркониевых участков в «отрицательном» кристалле на олово. Однако такую керамику сложно создать. Такие материалы метастабильны, и традиционные подходы просто – смешать и нагреть – не дадут желаемого конечного продукта. Эванс говорит, что существует очень небольшой температурный интервал, в котором имеется возможность контролировать, сколько циркония и сколько олова включится в кристаллическую решетку для создания кубического продукта.

Для подбора оптимальных условий, исследователи проводили синтезы в рентгеновском дифрактометре, эффективно контролируя свойства образующейся кристаллической структуры продукта. Эванс утверждает, что исследователи продемонстрировали возможность внедрения различных пропорций циркония в решетку и, таким образом, получения устойчивого керамического материала, у которого может быть положительный, отрицательный или нулевой коэффициент теплового расширения. По существу «положительная» природа оловосодержащего материала уравновешивается «отрицательным» цирконием, оба из которых являются ключевыми элементами одной и той же кристаллической структуры.

Эндрю Альдерсон (Andrew Alderson) из Университета Шеффилда в Великобритании, эксперт области умных материалов с необычными термическими параметрами, отмечает, что новый материал способен повлиять на технологии в широком диапазоне – начиная со стоматологических композитов и микрочипов с более высоким качеством и длительным сроком службы, до высокоточных оптических зеркал и любых других устройств, в которых требуется управление тепловой нагрузкой из-за различий в свойствах материалов по тепловому расширению.

Источник: J. Am.Chem. Soc., 2013, DOI: 10.1021/ja4060564

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #химическая технология