日常生活中的热胀冷缩现象,日常生活中的热胀冷缩例子

“热胀冷缩”现象在生活中随处可见：弄瘪了的乒乓球用开水烫一烫会鼓起来；夏天不能给轮胎充太足的气，防止温度高时引起爆胎；夏天架空中电缆时也不能过紧，以防冬天遇冷收缩时绷断。

图1 干瘪的乒乓球在热水中恢复原状（图片来自网络）

正热膨胀=热胀冷缩，负热膨胀=热缩冷胀

普通材料的“热胀冷缩”，也叫“正热膨胀”，主要表现为物质受热膨胀，冷却收缩的现象。这是由于温度上升时物体内的粒子（原子）运动幅度加大，粒子之间的平均距离变大，从而令物体膨胀；同理，当温度下降时，粒子的运动幅度减弱，使物体收缩。

在很多情况下，“热胀冷缩”可不是一件好事。例如，“热胀冷缩”会导致材料尺寸随环境温度变化，就会严重影响仪器的精度和功能；由不同材料构成的器件，由于膨胀系数不匹配，温度变化时会导致装配间隙、热应力和密封失效。材料的“热胀冷缩”及其导致的上述效应已经成为制约精密（光学）仪器、航空航天、低温工程、微电子器件等领域快速发展的一个共性瓶颈问题。

图2 图片来自网络

那种遇到高温就膨胀的材料，叫“正热膨胀”材料。不过，其实还有一种“负热膨胀”材料，它的特性就是“热缩冷胀”，当物体的温度升高时，物体的体积缩小，再怎么“火”也不膨胀；温度降低时，物体反而膨胀。

我们日常生活中离不开的水在4℃以下就是负热膨胀的。这样冬天湖面的水遇冷后就也不会下沉，而湖底的水永远保持在4℃，鱼虾和水生物就不会被冻死了。

负热膨胀 正热膨胀→零膨胀？负热膨胀材料是关键

将负热膨胀材料与通常正热膨胀材料进行复合，可有效抑制正热膨胀材料的热膨胀甚至实现零膨胀。这为调控材料膨胀系数、提高器件的结构和性能稳定性带来了希望。然而遗憾的是，已有的负膨胀材料总是存在这样或那样的缺点。

例如，已经被研究20多年的明星负热膨胀材料钨酸锆（ZrW₂O₈）就存在结构不稳定、导热性差且易吸水等问题，给实际应用造成了困难。

图3 电路板与集成器件（图片来自网络）

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所童鹏研究员课题组在金属负热膨胀材料研究方面取得了新进展，获得了一种兼具优异热学、力学和负热膨胀性能的铁基 Laves 相化合物——铪钽铁合金Hf_0.87Ta_0.13Fe₂。

该合金在零下51℃至零上54℃的温度范围内呈现负热膨胀，相应的线性膨胀系数达到了-16.3 ppm/K（图4a）。也就是说，铪钽铁合金制成的1米长棒在温度升高1℃时缩短了16.3微米！而日常生活中常见的金属材料，比如铁，它的线性膨胀系数为12 ppm/K，意味着1米长铁棒升高1℃时，仅伸长12微米。铪钽铁合金有如此大的负热膨胀效应，如将其与正热膨胀材料复合，其受热收缩的变化量便足以将正热膨胀材料的热膨胀抵消，有望实现零膨胀。

不仅如此，该合金还具有良好的电导、热导性能（图4b）和机械性能：例如压缩强度接近400 MPa（图4c），杨氏模量高达223 GPa（图4c），维氏硬度达到了882 H_V。

图4 铪钽铁的线膨胀曲线（a）、力学性能（b）和热学性能（c）。

优良的热学、力学性能使得铪钽铁在抑制基底材料热膨胀的同时，还可以提高基体的抗热震能力和机械性能，起到了组合调控的效果。例如，我们可以利用该化合物大的负膨胀系数来对电子封装材料的热膨胀系数进行有效调控，减少封装材料与芯片之间的热应力。与此同时，其优异的热导性能可以提高器件的散热能力，从而为电子器件的性能稳定性和使用寿命提供保障。

因此，铪钽铁负膨胀合金为解决微电子、精密仪器、航空航天、低温工程等领域中材料的“热胀冷缩”问题提供了一个很好的“抑制剂”材料，具有较大的应用前景。