走近低热膨胀材料

林云志

自然界中的物质都是由原子构成的。在固体物质中，每个原子都有固定的平衡位置，并围绕平衡位置不断振动。物质的温度越高，原子振动越剧烈，所以这种振动也被称为热振动。高温烫手就是原子热振动和热量传导的结果。

随着温度上升，原子运动的振幅加大、势能上升，原子之间的平衡距离也相应延长。大多数物质的单位体积都随着温度的上升而增大、随着温度的降低而收缩，称为热胀冷缩。

不同的物质热膨胀的程度不一样。在物理学中，定义温度每上升1℃所产生的体积或长度的变化率为体膨胀系数或线膨胀系数。一般高分子物质如橡胶、树脂等，线膨胀系数在10-3～10-5/℃的数量级。陶瓷的线膨胀系数相对较低，在10-5～10-7/℃。金属的线膨胀系数介于常规的高分子物质和陶瓷之间（常温时，金的线膨胀系数是14.2×10-6/℃，镍的是13×10-6/℃，铁的是12×10-6/℃）。在不同的温度下，物质的热膨胀系数会有所变化。

温度对物质体积的影响也影响了人们的生活。比如，墙上的裂缝在冬天会更加明显，建设大桥或铁路轨道要预留缝隙——这就是我们坐火车时能听到规律的“咔嚓”声的原因。建造房子用的钢筋水泥不仅考虑了钢筋的韧性和水泥的强度，而且水泥的热膨胀系数与钢筋一样，这样就避免钢筋和水泥因为热胀冷缩而“互相伤害”了。

日常生活中，人们感受到的温差通常只有几十摄氏度，物质热胀冷缩造成的影响比较小。但在一些高精密或温差很大的应用领域，低热膨胀材料有重要的应用。

例如，在太空中使用的器件其阳面和阴面的温度差可达五六百摄氏度。一个部件既有在阳面的时候也有在阴面的时候，若高温差产生的体积膨胀不均匀就会影响其指向精度和结构衔接。

有一种被称为因瓦合金的铁镍合金，它在室温下的平均线膨胀系数为0.88×10-6/℃，远低于普通金属材料，其体积对温度的变化不敏感，是建造航天器的关键材料。

因瓦合金的低熱膨胀系数是由于铁镍合金在居里点（指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点）以下有大的自发体积磁致伸缩性能。升温时，产生的磁致收缩抵消了铁和镍的正常点阵伸长，从而能在一定温度范围内获得较低的热膨胀率。

此外，因瓦合金也可用于超低温液态天然气（LNG）运输船的密封仓铺设等领域。

天然气是国家正在推广应用的清洁能源。天然气的输送方法是在-162℃的低温下使气体液化（体积降到气态的1/600），再通过船或管道运输。LNG不能直接装在普通容器里，必须用低热膨胀材料密封盛载并隔热。这时便需要用到因瓦合金。

LNG运输船目前只有美国、中国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家的十几家船厂能够建造。

在国防领域，随着信息化、轻量化概念的发展，轻合金功能材料在武器装备上的应用越来越多。例如，预警机、战斗机的电子元器件散热片需兼具高导热和低热膨胀的性能。为替代传统的高密度的铜钨合金散热片，科学家们发明了低热膨胀铝基复合材料。铝在室温下的热膨胀系数很高，将它与低热膨胀的硅（热膨胀系数为3.2×10-6/℃）在很小的微粒尺度上进行混合，制备成热膨胀系数约为8×10-6/℃的大块复合材料，使其与元器件的热膨胀系数接近，将具有较好的散热能力。