我国学者在零膨胀超因瓦材料合成领域取得新进展

图1 （a）Ho₂(Fe,Co)₁₇化合物磁结构；（b）Fe/Co亚晶格磁矩随温度的变化；（c）Ho₂(Fe,Co)₁₇化合物晶胞体积随温度的变化；（d）Ho₂Fe₁₆Co化合物在100到520K温区明显的零膨胀

图2零膨胀Ho_0.04Fe_0.96双相合金的（a）同步辐射XRD图谱；（b）压缩应力-应变曲线；（c）中子原位荷载实验测定双相力学行为；（d）两相界面处的高分辨TEM图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22090042、21731001、21971009）等资助下，北京科技大学邢献然教授团队在稀土永磁材料的反常热膨胀行为研究方面取得新进展。成果以“R₂(Fe,Co)₁₇的宽温区超因瓦属性（Ultrawide Temperature Range Super-Invar Behavior of R₂(Fe,Co)₁₇ Materials (R = Rare Earth)）”和“具有塑性的低成本轴向零膨胀双相合金（Plastic and Low-cost Axial Zero Thermal Expansion Alloy by A Natural Dual-phase Composite）”为题，近期分别发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《自然-通讯》(Nature Communications) 杂志。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.055501；https://www.nature.com/articles/s41467-021-25036-1。

　　因瓦合金是一类零（低）热膨胀金属材料，目前使用的因瓦合金力学强度低，机械加工性能差；同时零膨胀温度窗口窄，温度稳定性低，因此迫切需要发展宽温区“超因瓦合金”（温区宽于200 K，且涵盖室温）。

　　邢献然教授团队在经典稀土永磁化合物R₂Fe₁₇引入部分Co原子（R=稀土元素），制备出单相负热膨胀Ho₂(Fe,Co)₁₇磁性材料，中子衍射确定其为亚铁磁结构（图1a）。Co占位Fe亚晶格，Fe原子3d轨道的成键状态明显变化，晶格与磁的耦合作用增强了Fe原子磁矩，提高了居里温度，实现了负热膨胀到正热膨胀的连续调控，获得了一系列宽温区零热膨胀金属材料（其中Ho₂Fe₁₆Co的零热膨胀区间达到了458 K）（图1）。

　　上述单相零膨胀材料表现出固有的脆性，机械加工性能急需改善。该研究团队利用一步共晶反应法，在具有优异塑性的α-Fe相中引入4at.%的稀土Ho金属，生成了具有脆的负热膨胀Ho₂Fe₁₇金属间化合物（H相）和软的正膨胀α-Fe两相共晶（图2a）。所制备的零膨胀双相合金力学性能得到显著提升（压缩强度近800MPa，塑性得到明显改善），并在宽温区具有稳定优异的循环性能，克服了宽温区零膨胀与强韧化超因瓦合金难以兼容的问题（图2）。