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.

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.