走近低熱膨脹材料

林云志

自然界中的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。在固體物質(zhì)中，每個(gè)原子都有固定的平衡位置，并圍繞平衡位置不斷振動(dòng)。物質(zhì)的溫度越高，原子振動(dòng)越劇烈，所以這種振動(dòng)也被稱為熱振動(dòng)。高溫燙手就是原子熱振動(dòng)和熱量傳導(dǎo)的結(jié)果。

隨著溫度上升，原子運(yùn)動(dòng)的振幅加大、勢(shì)能上升，原子之間的平衡距離也相應(yīng)延長(zhǎng)。大多數(shù)物質(zhì)的單位體積都隨著溫度的上升而增大、隨著溫度的降低而收縮，稱為熱脹冷縮。

不同的物質(zhì)熱膨脹的程度不一樣。在物理學(xué)中，定義溫度每上升1℃所產(chǎn)生的體積或長(zhǎng)度的變化率為體膨脹系數(shù)或線膨脹系數(shù)。一般高分子物質(zhì)如橡膠、樹(shù)脂等，線膨脹系數(shù)在10-3～10-5/℃的數(shù)量級(jí)。陶瓷的線膨脹系數(shù)相對(duì)較低，在10-5～10-7/℃。金屬的線膨脹系數(shù)介于常規(guī)的高分子物質(zhì)和陶瓷之間（常溫時(shí)，金的線膨脹系數(shù)是14.2×10-6/℃，鎳的是13×10-6/℃，鐵的是12×10-6/℃）。在不同的溫度下，物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)會(huì)有所變化。

溫度對(duì)物質(zhì)體積的影響也影響了人們的生活。比如，墻上的裂縫在冬天會(huì)更加明顯，建設(shè)大橋或鐵路軌道要預(yù)留縫隙——這就是我們坐火車時(shí)能聽(tīng)到規(guī)律的“咔嚓”聲的原因。建造房子用的鋼筋水泥不僅考慮了鋼筋的韌性和水泥的強(qiáng)度，而且水泥的熱膨脹系數(shù)與鋼筋一樣，這樣就避免鋼筋和水泥因?yàn)闊崦浝淇s而“互相傷害”了。

日常生活中，人們感受到的溫差通常只有幾十?dāng)z氏度，物質(zhì)熱脹冷縮造成的影響比較小。但在一些高精密或溫差很大的應(yīng)用領(lǐng)域，低熱膨脹材料有重要的應(yīng)用。

例如，在太空中使用的器件其陽(yáng)面和陰面的溫度差可達(dá)五六百攝氏度。一個(gè)部件既有在陽(yáng)面的時(shí)候也有在陰面的時(shí)候，若高溫差產(chǎn)生的體積膨脹不均勻就會(huì)影響其指向精度和結(jié)構(gòu)銜接。

有一種被稱為因瓦合金的鐵鎳合金，它在室溫下的平均線膨脹系數(shù)為0.88×10-6/℃，遠(yuǎn)低于普通金屬材料，其體積對(duì)溫度的變化不敏感，是建造航天器的關(guān)鍵材料。

因瓦合金的低熱膨脹系數(shù)是由于鐵鎳合金在居里點(diǎn)（指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點(diǎn)）以下有大的自發(fā)體積磁致伸縮性能。升溫時(shí)，產(chǎn)生的磁致收縮抵消了鐵和鎳的正常點(diǎn)陣伸長(zhǎng)，從而能在一定溫度范圍內(nèi)獲得較低的熱膨脹率。

此外，因瓦合金也可用于超低溫液態(tài)天然氣（LNG）運(yùn)輸船的密封倉(cāng)鋪設(shè)等領(lǐng)域。

天然氣是國(guó)家正在推廣應(yīng)用的清潔能源。天然氣的輸送方法是在-162℃的低溫下使氣體液化（體積降到氣態(tài)的1/600），再通過(guò)船或管道運(yùn)輸。LNG不能直接裝在普通容器里，必須用低熱膨脹材料密封盛載并隔熱。這時(shí)便需要用到因瓦合金。

LNG運(yùn)輸船目前只有美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)和歐洲的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的十幾家船廠能夠建造。

在國(guó)防領(lǐng)域，隨著信息化、輕量化概念的發(fā)展，輕合金功能材料在武器裝備上的應(yīng)用越來(lái)越多。例如，預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的電子元器件散熱片需兼具高導(dǎo)熱和低熱膨脹的性能。為替代傳統(tǒng)的高密度的銅鎢合金散熱片，科學(xué)家們發(fā)明了低熱膨脹鋁基復(fù)合材料。鋁在室溫下的熱膨脹系數(shù)很高，將它與低熱膨脹的硅（熱膨脹系數(shù)為3.2×10-6/℃）在很小的微粒尺度上進(jìn)行混合，制備成熱膨脹系數(shù)約為8×10-6/℃的大塊復(fù)合材料，使其與元器件的熱膨脹系數(shù)接近，將具有較好的散熱能力。