Hiçbir "ateş" şişmez
"Isı genleşmesi ve daralması" olgusu hayatın her yerinde görülebilir: sönmüş masa tenisi topları kaynar suyla beyazlatıldıklarında şişer; yazın, sıcaklık yüksek olduğunda delinmeleri önlemek için lastikler fazla şarj edilemez; yazın havai kablolar Kışın soğukta kırılmasını önlemek için zaman çok sıkı olmamalıdır.
Şekil 1 Buruşmuş ping pong topu, sıcak suda orijinal şekline geri döndürülür (İnternetten alınan resim)
Pozitif termal genleşme = termal genleşme ve soğuk daralma, negatif termal genleşme = termal daralma ve soğuk genleşme
Sıradan malzemelerin "termal genleşmesi ve büzülmesi", aynı zamanda "pozitif termal genleşme" olarak da adlandırılır, esas olarak ısıtıldığında malzeme genleşmesi ve soğutulduğunda büzülme olgusunda kendini gösterir. Bunun nedeni, sıcaklık yükseldiğinde nesnedeki parçacıkların (atomların) daha fazla hareket etmesi ve parçacıklar arasındaki ortalama mesafenin genişlemesine neden olarak nesnenin genişlemesidir.Aynı şekilde, sıcaklık düştüğünde parçacığın hareket genliği zayıflayarak nesnenin küçülmesine neden olur.
Çoğu durumda, "ısıtma genleşmesi ve daralması" iyi bir şey değildir. Örneğin, "ısıl genleşme ve büzülme", malzemenin boyutunun ortam sıcaklığıyla değişmesine neden olacak ve bu da aletin doğruluğunu ve işlevini ciddi şekilde etkileyecektir; farklı malzemelerden yapılan cihazlar, genleşme katsayılarının uyumsuzluğundan dolayı, sıcaklık değiştiğinde montaj boşluklarına ve termal gerilime neden olacaktır. Ve mühür hatası. Malzemelerin "termal genleşmesi ve daralması" ve yukarıda bahsedilen etkiler, hassas (optik) aletlerin, havacılık, kriyojenik mühendislik ve mikroelektronik cihazların hızlı gelişimini kısıtlayan ortak bir darboğaz haline gelmiştir.
Şekil 2 Resim internetten geliyor
Yüksek sıcaklıkla karşılaşıldığında genleşen malzemeye "pozitif termal genleşme" malzemesi denir. Ancak aslında bir tür "negatif termal genleşme" malzemesi vardır. Karakteristik "ısıl büzülme ve soğuk genleşme" dir.Bir cismin sıcaklığı arttığında cismin hacmi küçülür, ne kadar "yangın" olursa olsun genişlemez; sıcaklık düştüğünde cisim Bunun yerine şişer.
Günlük hayatımızın ayrılmaz bir parçası olan su, 4 ° C'nin altında negatif termal genleşmeye sahiptir. Böylelikle göl yüzeyindeki su kışın soğukken batmayacak ve gölün dibindeki su her zaman 4 ° C'de tutulacak, böylece balık, karides ve sucul yaşam donarak ölmeyecektir.
Negatif termal genleşme + pozitif termal genleşme sıfır genleşme? Negatif termal genleşme malzemesi anahtardır
Negatif termal genleşme materyalinin normal pozitif termal genleşme materyali ile birleştirilmesi, pozitif termal genleşme materyalinin termal genleşmesini etkili bir şekilde bastırabilir ve hatta sıfır genleşme sağlayabilir. Bu, malzemelerin genleşme katsayısını ayarlamak ve cihazların yapısını ve performans istikrarını iyileştirmek için umut getiriyor. Ne yazık ki, mevcut negatif genleşme malzemeleri her zaman şu veya bu türden dezavantajlara sahiptir.
Örneğin 20 yılı aşkın süredir üzerinde çalışılan yıldız negatif ısıl genleşme malzemesi zirkonyum tungstat (ZrW2O8), dengesiz yapı, zayıf ısıl iletkenlik ve kolay su emilimi gibi problemlere sahip, bu da pratik uygulamalarda zorluklara neden olmuştur.
Şekil 3 Devre kartı ve entegre cihaz (İnternetten resim)
Son zamanlarda, Çin Bilimler Akademisi, Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Katı Hal Fiziği Enstitüsü'nden araştırmacı Tong Peng'in grubu, metal negatif termal genleşme malzemeleri araştırmalarında yeni bir ilerleme kaydetti ve mükemmel termal, mekanik ve negatif termal genleşme özelliklerine sahip bir demir bazlı Laves faz bileşiği elde etti. Hafnium Tantalum alaşım Hf0.87Ta0.13Fe2.
Alaşım, eksi 51 ila 54 üzerindeki sıcaklık aralığında negatif termal genleşme sergiler ve karşılık gelen doğrusal genleşme katsayısı -16,3 ppm / K'ye ulaşır (Şekil 4a). Başka bir deyişle, hafniyum-tantal alaşımından yapılmış 1 metre uzunluğundaki bir çubuk, sıcaklık 1 ° C arttığında 16,3 mikron kısaldı! Günlük hayatta yaygın olarak kullanılan demir gibi metal malzemelerin doğrusal genleşme katsayısı 12 ppm / K'dir, bu da 1 metre uzunluğundaki bir demir çubuğun 1 ° C yükseldiğinde yalnızca 12 mikron uzayacağı anlamına gelir. Hafniyum tantal alaşımı çok büyük bir negatif termal genleşme etkisine sahiptir.Pozitif bir termal genleşme malzemesi ile birleştirilirse, termal büzülmesindeki değişim miktarı, pozitif termal genleşme malzemesinin termal genleşmesini dengelemek için yeterlidir ve sıfır genleşmeye ulaşması beklenir.
Sadece bu değil, alaşım aynı zamanda iyi elektriksel ve termal iletkenliğe (Şekil 4b) ve mekanik özelliklere sahiptir: örneğin, basınç dayanımı 400 MPa'ya yakındır (Şekil 4c), Young modülü 223 GPa (Şekil 4c) kadar yüksektir ve Vickers sertliğine ulaşmıştır. 882 HV.
Şekil 4 Hafniyum tantalumun doğrusal genişleme eğrisi (a), mekanik özellikleri (b) ve termal özellikleri (c).
Mükemmel termal ve mekanik özellikler hafniyum tantalum demirin yalnızca temel malzemenin termal genleşmesini engellemekle kalmaz, aynı zamanda birleşik kontrol etkisine sahip olan substratın termal şok direncini ve mekanik özelliklerini geliştirir. Örneğin, elektronik ambalaj malzemelerinin termal genleşme katsayısını etkin bir şekilde kontrol etmek ve ambalaj malzemesi ile çip arasındaki termal gerilimi azaltmak için bileşiğin büyük negatif genleşme katsayısını kullanabiliriz. Aynı zamanda, mükemmel termal iletkenliği, cihazın ısı yayma kapasitesini geliştirebilir, böylece elektronik cihazın performans kararlılığı ve hizmet ömrü için bir garanti sağlar.
Bu nedenle, Hafniyum Tantalum Negatif Genleşme Alaşımı, mikroelektronik, hassas aletler, havacılık ve kriyojenik mühendislik alanlarındaki malzemelerin "termal genleşme ve büzülme" problemini çözmek için iyi bir "inhibitör" malzeme sağlar ve geniş bir uygulama alanına sahiptir. umut.
