Физика

Создан новый композит из алюминия и гексаборида самария, практически не расширяющийся при изменении температуры

Создан новый композит из алюминия и гексаборида самария, практически не расширяющийся при изменении температуры

Типичные оптические микрофотографии объемного композита. Serebrennikov et al. / Results in Physics, 2021

Впервые создан композит на базе промежуточно-валентных соединений, показавший почти нулевое тепловое расширение при низких температурах. Получение уникального материала из алюминия и гексаборида самария стало возможным благодаря исследованию ученых из Балтийского федерального университета имени И. Канта. Статья опубликована в журнале Results in Physics.

Прецизионные сплавы, чаще известные как инварные или попросту инвары, уже не одно столетие создаются учеными. Такие сплавы из железа и никеля обладают очень важным свойством — сохраняют свой размер в строго заданном диапазоне температур. Они востребованы при создании элементов высокоточных измерительных приборов, эталонов мер длины, деталей механических циферблатов и других подобных вещей. Однако классические инвары не обладают множеством других полезных физических свойств, что существенно ограничивает их применение в других областях, где от материалов требуется, например высокая теплопроводность. Поэтому создание уникального композитного материала из других металлов, совмещающего характерное для инваров отсутствие теплового расширения и дополнительные физические свойства, стало своеобразным ребусом для многих ученых.

Один из вариантов решения этой загадки нашли ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта. При создании нового композитного материала они использовали традиционный метод, основанный на понижении теплового расширения функциональных материалов. Его суть заключается в том, что в исходный металл добавляют частицы керамических или других материалов, которые обладают значительно меньшим по сравнению с металлом тепловым расширением. Необычным стало то, что в качестве дополнительного компонента ученые взяли одно из соединений класса промежуточно-валентных веществ. В отличие от элементов с целочисленной валентностью, они проявляют аномальные свойства, одним из которых может быть сжатие при нагреве, но главное это то, что меру сжатия можно регулировать. Композиты, состоящие из металла и соединения с промежуточно-валентным соединением, дают возможность подбирать тепловое расширение, в том числе близкое к нулевому.

Для своих исследований авторы выбрали алюминий и гексаборид самария. Несмотря на общеизвестность данных веществ, совместно их использовали впервые. Композит получили методом горячего прессования порошков при температуре 450°C, а затем композит исследовали под оптическим микроскопом. Дополнительно ученые использовали рентгеновскую томографию — эта технология позволила провести диагностику внутренней структуры образца без дополнительной ее полировки и шлифовки. Благодаря послойному сканированию авторы получили трехмерную модель, которая показала равномерное распределение частиц гексаборида самария в алюминии, что свидетельствует о пригодности композита для дальнейшего исследования. Для измерения теплового расширения композита использовали метод емкостной дилатометрии в температуре диапазоном 10–210 К. В результате ученые выяснили, что образец демонстрирует инварное поведение вплоть до температуры 60 К с нулевым значением коэффициента теплового расширения при 45 К.

«Это первая работа подобного рода, поэтому мы пока не говорим о промышленных масштабах, мы работаем для узких направлений, где требуется решить уникальные задачи. Уменьшение большого теплового расширения функциональных материалов путем добавления мелких частиц материала с низким или отрицательным тепловым расширением является актуальной на протяжении многих лет для таких отраслей, как приборостроение, радиоэлектроника, авиационная и ракетно-космическая промышленность, лазерная и криогенная техника», — поделился Дмитрий Серебренников, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем НОЦ «Функциональные наноматериалы» БФУ имени И. Канта.