Negativní tepelná roztažnost - Negative thermal expansion

Negativní tepelná roztažnost (NTE) je neobvyklý fyzikálně-chemické proces, při kterém se některé materiály při zahřívání smršťují, místo aby se rozpínaly jako většina ostatních materiálů. Nejznámější materiál s NTE je voda při 0 ~ 4 ° C. Materiály, které procházejí NTE, mají řadu potenciálů inženýrství, fotonický, elektronický, a strukturální aplikace. Pokud by se například smíchal materiál s negativní tepelnou roztažností s „normálním“ materiálem, který se při zahřátí rozpíná, bylo by možné jej použít jako teplotní roztažnost kompenzátor, co by mohlo umožnit tváření kompozity s přizpůsobenou nebo dokonce téměř nulovou tepelnou roztažností.

Původ negativní tepelné roztažnosti

Existuje celá řada fyzikálních procesů, které mohou způsobit kontrakci se zvyšující se teplotou, včetně příčných vibračních režimů, Režimy tuhé jednotky a fázové přechody.

Nedávno Liu a kol.[1] ukázaly, že fenomén NTE pochází z existence vysokotlakých konfigurací s malým objemem s vyšší entropií a jejich konfigurací přítomných ve stabilní fázové matici teplotními fluktuacemi. Byli schopni předpovědět jak kolosální pozitivní tepelnou roztažnost (In cer), tak nulovou a nekonečnou negativní tepelnou roztažnost (v Fe
3Pt).[2] Alternativně může velká negativní a pozitivní tepelná roztažnost vyplývat z návrhu vnitřní mikrostruktury.[3]

Negativní tepelná roztažnost v těsně uzavřených systémech

Negativní tepelná roztažnost je obvykle pozorována v neuzavřených systémech se směrovými interakcemi (např. led, grafen atd.) a komplexní sloučeniny (např. Cu
2Ó, ZrW
2Ó
8, beta-křemen, některé zeolity atd.). V příspěvku však[4] bylo prokázáno, že negativní tepelná roztažnost (NTE) je realizována také v jednosložkových těsně zabalených mřížkách s párovými interakcemi centrální síly. Pro EU je navržena následující dostatečná podmínka pro potenciální vznik chování NTE interatomový potenciál, , v rovnovážné vzdálenosti :

Kde je zkratka pro třetí derivaci interatomového potenciálu v rovnovážném bodě:

Tato podmínka je (i) nezbytná a dostatečná v 1D a (ii) dostatečná, ale není nutná ve 2D a 3D. Přibližný nezbytná a dostatečná podmínka je odvozena v příspěvku[5]

kde je prostorová rozměrnost. Ve 2D a 3D je tedy negativní tepelná roztažnost v uzavřených systémech s párovými interakcemi realizována, i když je třetí derivace potenciálu nulová nebo dokonce záporná. Všimněte si, že jednorozměrné a vícerozměrné případy se kvalitativně liší. V 1D je tepelná roztažnost způsobena anharmonicitou interatomový potenciál pouze. Znaménko koeficientu tepelné roztažnosti je tedy určeno znaménkem třetí derivace potenciálu. Ve vícerozměrném případě je také přítomna geometrická nelinearita, tj. Mřížkové vibrace jsou nelineární i v případě harmonického interatomového potenciálu. Tato nelinearita přispívá k tepelné roztažnosti. Proto ve vícerozměrném případě obojí a jsou přítomny ve stavu pro negativní tepelnou roztažnost.

Materiály

Snad jedním z nejvíce studovaných materiálů vykazujících negativní tepelnou roztažnost je wolframan zirkoničitý (ZrW
2Ó
8). Tato sloučenina se kontinuálně smršťuje v teplotním rozmezí 0,3 až 1050 K (při vyšších teplotách se materiál rozkládá).[6] Mezi další materiály, které vykazují chování NTE, patří další členové DOPOLEDNE
2Ó
8 skupina materiálů (kde A = Zr nebo Hf, M = Mo nebo Ž) a HfV
2Ó
7 a ZrV
2Ó
7, ačkoli HfV
2Ó
7 a ZrV
2Ó
7 pouze v jejich vysokoteplotní fázi začínající na 350 až 400 K..[7] A
2(MO
4)
3 je také příkladem kontrolovatelné negativní tepelné roztažnosti. Krychlový materiály jako ZrW
2Ó
8 a také HfV
2Ó
7 a ZrV
2Ó
7 jsou zvláště cenné pro aplikace ve strojírenství, protože vykazují izotropní NTE, tj. NTE je ve všech třech stejná rozměry což usnadňuje jejich použití jako kompenzátorů tepelné roztažnosti.[8]

Obyčejný led ukazuje NTE v hexagonální a kubické fázi při velmi nízkých teplotách (pod –200 ° C).[9] V kapalné formě, čistá voda také zobrazuje negativní tepelnou roztažnost pod 3,984 ° C.

ALLVAR, slitina na bázi titanu, vykazuje NTE v širokém teplotním rozmezí s okamžitým koeficientem tepelné roztažnosti -30 ppm / ° C při 20 ° C.[10]

Pryžová pružnost ukazuje NTE za normálních teplot, ale důvod účinku je poněkud odlišný od toho u většiny ostatních materiálů. Jednoduše řečeno, protože dlouhé polymerní řetězce absorbují energii, přijímají zkroucenější konfiguraci a snižují objem materiálu.[11]

Uhlíková vlákna vykazují NTE mezi 20 ° C a 500 ° C. [12] Tato vlastnost se využívá v leteckých aplikacích s přísnou tolerancí k přizpůsobení CTE z plastových komponent vyztužených uhlíkovými vlákny pro konkrétní aplikace / podmínky, nastavením poměru uhlíkových vláken k plastu a úpravou orientace uhlíkových vláken v dílu.

Křemen (SiO
2) a řada zeolitů také vykazuje NTE v určitých teplotních rozsazích.[13][14] Poměrně čistý křemík (Si) má záporný koeficient tepelné roztažnosti pro teploty mezi 18 K a 120 K.[15]Krychlový Skandium trifluorid má tuto vlastnost, která je vysvětlena kvartickou oscilací fluoridových iontů. Energie uložená v ohybovém napětí fluoridového iontu je úměrná čtvrté síle úhlu posunutí, na rozdíl od většiny ostatních materiálů, kde je úměrná druhé mocnině posunutí. Atom fluoru je navázán na dva atomy skandia a jak se teplota zvyšuje, fluór osciluje více kolmo k jeho vazbám. To přitahuje atomy skandia dohromady v celém materiálu a smršťuje se.[16] ScF
3 vykazuje tuto vlastnost od 10 do 1100 K, nad kterou vykazuje normální pozitivní tepelnou roztažnost.[17] Slitiny s tvarovou pamětí, jako je NiTi, jsou rodící se třídou materiálů, které vykazují nulovou a negativní tepelnou roztažnost.[18][19]

Aplikace

Formování a kompozitní materiálu s (běžnou) pozitivní tepelnou roztažností s materiálem s (anomální) zápornou tepelnou roztažností by mohlo umožnit přizpůsobení tepelné roztažnosti kompozitů nebo dokonce mít kompozity s tepelnou roztažností blízkou nule. Negativní a pozitivní tepelná roztažnost se navzájem kompenzují do určité míry, pokud teplota se změnilo. Přizpůsobení overalu koeficient tepelné roztažnosti (CTE) na určitou hodnotu lze dosáhnout změnou hodnoty objem frakce různých materiálů přispívající k tepelné roztažnosti kompozitu.[8][20]

Zejména ve strojírenství je potřeba mít materiály s CTE blízké nule, tj. S konstantním výkonem ve velkém teplotním rozsahu, např. pro použití v přesných přístrojích. Ale také v každodenním životě jsou vyžadovány materiály s CTE blízkým nule. Sklokeramika varné desky jako Ceran varné desky musí odolat vysoké teplotě přechody a rychlé změny teploty vaření protože se zahřívají pouze určité části varných desek, zatímco ostatní části zůstávají blízko teplota okolí. Obecně platí, že kvůli křehkost teplotní přechody ve skle mohou způsobit praskliny. Sklokeramika použitá ve varných deskách však sestává z několika různých fází, některé vykazují pozitivní a jiné negativní tepelnou roztažnost. Expanze různých fází se navzájem kompenzuje, takže nedochází k velké změně objemu sklokeramiky s teplotou a je zabráněno tvorbě trhlin.

Příkladem každodenního života pro potřebu materiálů s přizpůsobenou tepelnou roztažností jsou zubní výplně. Pokud mají výplně tendenci expandovat o množství odlišné od zuby například při pití teplého nebo studeného nápoje by to mohlo způsobit a bolest zubů. Pokud jsou však zubní výplně vyrobeny z a Kompozitní materiál obsahující směs materiálů s pozitivní a negativní tepelnou roztažností, mohla by být celková roztažnost přesně přizpůsobena té z zubní sklovina.

Reference

  1. ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi; Shang, Shun-Li (2011). "Původ jevu negativní tepelné roztažnosti v pevných látkách". Scripta Materialia. 65 (8): 664–667. doi:10.1016 / j.scriptamat.2011.07.001.
  2. ^ Liu, Zi-Kui; Wang, Yi; Shang, Shunli (2014). „Anomálie tepelné expanze regulovaná entropií“. Vědecké zprávy. 4: 7043. Bibcode:2014NatSR ... 4E7043L. doi:10.1038 / srep07043. PMC  4229665. PMID  25391631.
  3. ^ Cabras, Luigi; Brun, Michele; Misseroni, Diego (2019). "Mikrostrukturované médium s velkou izotropní negativní tepelnou roztažností". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 475 (2232): 7043. Bibcode:2019RSPSA.47590468C. doi:10.1098 / rspa.2019.0468. PMC  6936614. PMID  31892835.
  4. ^ Rechtsman, M.C .; Stillinger, F.H .; Torquato, S. (2007), „Negativní tepelná roztažnost v jednosložkových systémech s izotropními interakcemi“, The Journal of Physical Chemistry A, 111 (49): 12816–12821, arXiv:0807.3559, Bibcode:2007JPCA..11112816R, doi:10.1021 / jp076859l, PMID  17988108, S2CID  8612584
  5. ^ Kuzkin, Vitaly A. (2014), „Komentář k„ Negativní tepelné expanzi v jednosložkových systémech s izotropními interakcemi'", The Journal of Physical Chemistry A, 118 (41): 9793–4, Bibcode:2014JPCA..118 9793 tis, doi:10.1021 / jp509140n, PMID  25245826
  6. ^ Mary, T. A .; Evans, J. S. O .; Vogt, T .; Sleight, A. W. (1996). "Negativní teplotní expanze z 0,3 na 1050 Kelvinů v ZrW
    2    Ó
    8    ". Věda. 272 (5258): 90–92. Bibcode:1996Sci ... 272 ​​... 90M. doi:10.1126 / science.272.5258.90. S2CID  54599739.
  7. ^ Hisashige, Tetsuo; Yamaguchi, Teppei; Tsuji, Toshihide; Yamamura, Yasuhisa (2006). „Fázový přechod pevných řešení Zr1-xHfxV2O7 s negativní tepelnou roztažností“. Journal of the Ceramic Society of Japan. 114 (1331): 607–611. doi:10.2109 / jcersj.114.607. ISSN  0914-5400.
  8. ^ A b Dove, Martin T; Fang, Hong (01.06.2016). "Negativní tepelná roztažnost a související anomální fyzikální vlastnosti: přehled teoretického základu dynamiky mřížky". Zprávy o pokroku ve fyzice. 79 (6): 066503. Bibcode:2016RPPh ... 79f6503D. doi:10.1088/0034-4885/79/6/066503. ISSN  0034-4885. PMID  27177210.
  9. ^ Röttger, K .; Endriss, A .; Ihringer, J .; Doyle, S .; Kuhs, W. F. (1994). "Mřížkové konstanty a tepelná roztažnost H
    2    Ó     a D
    2    Ó     led Ih mezi 10 a 265 K ". Acta Crystallographica oddíl B. 50 (6): 644–648. doi:10.1107 / S0108768194004933.
  10. ^ Monroe, James A. (10. července 2018). Navarro, Ramón; Geyl, Roland (eds.). "Negativní tepelná roztažnost slitin ALLVAR pro dalekohledy". Pokroky v optických a mechanických technologiích pro dalekohledy a přístrojové vybavení II. III: 26. Bibcode:2018SPIE10706E..0RM. doi:10.1117/12.2314657. ISBN  9781510619654. S2CID  140068490.
  11. ^ "Zahřívání gumičky: negativní koeficient tepelné roztažnosti | Přednáška". Berkeleyphysicsdemos.net. Citováno 2015-05-10.
  12. ^ Kude, Y .; Sohda, Y. (1997). "Tepelné řízení kompozitů uhlík-uhlík metodou funkčně odstupňovaného uspořádání vláken". V Shiota, Ichiro; Miyamoto, Yoshinari (eds.). Funkčně tříděné materiály 1996. Elsevier Science B.V. str. 239–244. doi:10.1016 / B978-044482548-3 / 50040-8. ISBN  9780444825483. Citováno 17. září 2020.
  13. ^ Lightfoot, Philip; Woodcock, David A .; Maple, Martin J .; Villaescusa, Luis A .; Wright, Paul A. (2001). "Rozšířený výskyt negativní tepelné roztažnosti u zeolitů". Journal of Materials Chemistry. 11: 212–216. doi:10.1039 / b002950p.
  14. ^ Attfield, Martin P. (1998). "Silná negativní tepelná roztažnost v křemičitém faujasitu". Chemická komunikace (5): 601–602. doi:10.1039 / A707141H.
  15. ^ Bullis, W. Murray (1990). "Kapitola 6". V O'Mara, William C .; Herring, Robert B .; Hunt, Lee P. (eds.). Příručka technologie polovodičových křemíků. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. str. 431. ISBN  978-0-8155-1237-0. Citováno 2010-07-11.
  16. ^ Woo, Marcus (7. listopadu 2011). „Neuvěřitelný smršťovací materiál: Inženýři odhalují, jak se skandium trifluorid smršťuje teplem“. Physorg. Citováno 8. listopadu 2011.
  17. ^ Greve, Benjamin K .; Kenneth L. Martin; Peter L. Lee; Peter J. Chupas; Karena W. Chapman; Angus P. Wilkinson (19. října 2010). "Výrazná negativní tepelná roztažnost z jednoduché struktury: kubická." ScF
    3    ". Journal of the American Chemical Society. 132 (44): 15496–15498. doi:10.1021 / ja106711v. PMID  20958035.
  18. ^ Röttger, K .; Endriss, A .; Ihringer, J .; Doyle, S .; Kuhs, W. F. (1994). "Mřížkové konstanty a tepelná roztažnost ledu H2O a D2O Ih mezi 10 a 265 K". Acta Crystallographica oddíl B. 50 (6): 644–648. doi:10.1107 / S0108768194004933.
  19. ^ Ahadi, A .; Matsushita, Y .; Sawaguchi, T .; Sun, Q.P .; Tsuchiya, K. (2017). "Původ nulové a negativní tepelné roztažnosti v silně deformovaném superelastickém Ni Ti slitina". Acta Materialia. 124: 79–92. doi:10.1016 / j.actamat.2016.10.054.
  20. ^ Takenaka, Koshi (únor 2012). „Negativní materiály pro tepelnou roztažnost: technologický klíč pro řízení tepelné roztažnosti“. Věda a technologie pokročilých materiálů. 13 (1): 013001. Bibcode:2012STAdM..13a3001T. doi:10.1088/1468-6996/13/1/013001. ISSN  1468-6996. PMC  5090290. PMID  27877465.

Další čtení

  • Miller, W .; Smith, C. W .; MacKenzie, D. S .; Evans, K. E. (2009). "Negativní tepelná roztažnost: recenze". Journal of Materials Science. 44 (20): 5441–5451. Bibcode:2009JMatS..44,5441M. doi:10.1007 / s10853-009-3692-4. S2CID  137550622.
  • Li, J .; Yokochi, A .; Amos, T. G .; Sleight, A. W. (2002). "Silná negativní tepelná expanze podél propojení O-Cu-O v CuScO2". Chemie materiálů. 14 (6): 2602–2606. doi:10,1021 / cm011633v.
  • Noailles, L. D .; Peng, H.-h .; Starkovich, J .; Dunn, B. (2004). "Tepelná expanze a fázová formace ZrW
    2    Ó
    8     Aerogely ". Chemie materiálů. 16 (7): 1252–1259. doi:10,1021 / cm034791q.
  • Grzechnik, A .; Crichton, W. A .; Syassen, K .; Adler, P .; Mezouar, M. (2001). „Nový polymorf ZrW
    2    Ó
    8     Syntetizováno při vysokých tlacích a vysokých teplotách ". Chemie materiálů. 13 (11): 4255–4259. doi:10,1021 / cm011126d.
  • Sanson, A .; Rocca, F .; Dalba, G .; Fornasini, P .; Grisenti, R .; Dapiaggi, M .; Artioli, G. (2006). "Negativní tepelná roztažnost a lokální dynamika v Cu
    2    Ó     a Ag
    2    Ó    ". Fyzický přehled B. 73 (21): 214305. Bibcode:2006PhRvB..73u4305S. doi:10.1103 / PhysRevB.73.214305.
  • Bhange, D. S .; Ramaswamy, Veda (2006). „Negativní tepelná roztažnost silikalitu-1 a zirkonia-silikalitu-1 se strukturou MFI“. Bulletin materiálového výzkumu. 41 (7): 1392–1402. CiteSeerX  10.1.1.561.4881. doi:10.1016 / j.materresbull.2005.12.002.
  • Liu, Z.-K .; Wang, Yi; Shang, S.-L. (2011). "Původ negativní tepelné roztažnosti v pevných látkách". Scripta Materialia. 65 (8): 664–667. doi:10.1016 / j.scriptamat.2011.07.001.