Композит с нулевым тепловым расширением: новый прорыв

Разработка материалов с нулевым тепловым расширением (ZTE), способных эффективно проводить тепло и сохранять механическую прочность, всегда представляла собой непростую задачу. Традиционные ZTE-материалы часто обладают низкой теплопроводностью, а металлические композиты с отрицательным тепловым расширением (NTE) нередко теряют прочность и ударную вязкость из-за присутствия хрупких NTE-частиц.

Команда исследователей из Института физических наук Хэфэя при Китайской академии наук представила инновационный биомиметический ламинированный композит. Его структура вдохновлена природными иерархическими строениями: слоистой структурой перламутра, известной своей исключительной прочностью и вязкостью, и тонкими внутренними мембранами стеблей бамбука, обеспечивающими эффективный транспорт воды и питательных веществ.

Результаты исследования опубликованы в журнале Acta Materialia. Ученые разработали ламинированный композит, состоящий из чередующихся слоев чистой медной фольги и медных слоев, армированных частицами ZSM (Zn₀.₅Sn₀.₃Mn₀.₂NMn₃) с отрицательным тепловым расширением. В такой архитектуре медные слои выступают в роли непрерывных путей для теплопередачи, сохраняя высокую теплопроводность меди. Композит с медной фольгой толщиной 100 мкм демонстрирует теплопроводность примерно в три раза выше, чем у обычных однородных ZTE-композитов, и является одним из самых высоких показателей среди известных ZTE-материалов.

«Ключевое новшество заключается в разделении функций теплопроводности и компенсации теплового расширения между различными слоями», — пояснил профессор Тон Пэн, руководитель команды. «Позволяя меди выступать в роли «тепловой магистрали», а слоям, армированным NTE, — регулировать размерную стабильность, мы успешно избегаем компромиссов в производительности, присущих традиционным ZTE-композитам».

Такая структура также значительно улучшает механические свойства. Слои медной фольги снижают концентрацию напряжений и препятствуют распространению трещин, вызывая образование множества трещин и их отклонение вместо единичного катастрофического разрушения. Этот механизм позволяет композиту поглощать гораздо больше энергии разрушения, при этом энергия изгиба достигает 53 кДж·м⁻², что в четыре раза выше, чем у монолитного композита.

Тепловые напряжения на полукогерентных границах между соседними слоями компенсируют собственное расширение и сжатие каждого слоя. Этот эффект взаимодействия напряжений приводит к нулевому тепловому расширению в направлении, перпендикулярном плоскости ламинирования, обеспечивая изотропное ZTE-поведение.

«Данная разработка предлагает новую парадигму для создания ZTE-материалов, обладающих как высокой теплопроводностью, так и высокой вязкостью», — добавил профессор Тон. «Это расширяет возможности применения ZTE-композитов, особенно в условиях повторяющихся термических ударов и механических воздействий».