利用连续磁相变策略实现超宽温区零热膨胀 | 进展

不同于常见的“热胀冷缩”现象，零热膨胀（Zero Thermal Expansion, ZTE）是固体材料一种引人入胜的性能，其显著特征是材料体积在一定温度范围内保持不变。众所周知，普通材料因热胀冷缩易产生热应力、形变甚至失效，而零热膨胀材料可从本质上抑制热失配与结构破坏，显著提升器件的稳定性、可靠性与使用寿命。在航空航天、精密光学、微电子与半导体、高精度传感器等领域，零热膨胀合金材料是实现系统长期稳定运行的保障。最早的零热膨胀合金—因瓦合金，于1897年被发现，并在过去一个世纪中得到广泛应用。因瓦合金在室温附近发生磁相变引发磁致伸缩效应，该效应与晶格热膨胀抵消，从而在室温附近表现出零热膨胀。然而，这种单一磁相变诱发的零热膨胀效应，其温度窗口较窄，不利于材料宽温区应用。探索突破宽温区、高性能零热膨胀材料的设计与制备新方法，不仅能够推动材料物性研究的创新发展，更能为国家重大工程与高端装备的自主可控提供关键支撑，具有重要的科学价值与战略应用价值。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心龙有文研究员和潘昭副研究员团队联合北京科技大学邢献然教授团队，利用连续磁相变策略实现了超宽温区零热膨胀。通过高温退火处理，在非化学计量比的kagome金属(Hf,Ti)Fe₂₊ₓ中实现了元素的非均匀分布，并由此构建出多重磁有序。在Hf0.6Ti0.4Fe2.54材料中，连续磁相变产生了超宽温区的零热膨胀，其平均线性热膨胀系数在112-525 K的超宽温度范围内仅为 0.76×10⁻⁶ K⁻¹（低于2×10⁻⁶ K⁻¹被认为是零热膨胀）。磁化强度测试、洛伦兹透射电镜、中子粉末衍射与穆斯堡尔谱分析表明，反占位Fe原子引入了额外的磁交换相互作用并稳定了磁有序结构。在370 K附近发生自旋重取向；随后，磁矩在470 K处急剧减小，并在525 K左右完全转变为顺磁性。磁有序与声子效应之间的补偿效应，实现了跨越室温的超宽温区零热膨胀。

该研究为理解金属磁性材料中的非常规零热膨胀行为提供了新思路，并展现出良好的应用前景。相关成果以“Successive Magnetic Transitions Enable an Ultrawide Temperature Window of Zero Thermal Expansion in (Hf,Ti)Fe₂₊ₓ”为题，发表在近期的J. Am. Chem. Soc. 148, 12119 (2026)上。文章第一作者是中国科学院物理研究所潘昭副研究员，北京科技大学周浩维博士以及物理所联合培养硕士研究生陈超为共同第一作者，通讯作者为物理所潘昭副研究员、龙有文研究员、北京科技大学固体化学研究所的曹宜力副教授和邢献然教授。

该工作受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目和中国科学院的资助。物理所叶旭斌副研究员、湖北大学王瑞龙教授以及日本同步辐射光源SPring-8的Shogo Kawaguchi博士等参与本工作。

图：Hf‑Ti‑Fe合金的热膨胀行为。(a) Hf0.6Ti0.4Fe2.54沿三个方向的线性热膨胀曲线；(b) 中子粉末衍射测得的Hf0.6Ti0.4Fe2.54晶格参数随温度的变化；(c) Hf0.6Ti0.4Fe2.54 的同步辐射X射线衍射(110)与(112)衍射峰随温度的变化；(d) 传统Laves相零热膨胀材料的温度窗口对比。

编辑：Bingbing