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文章题目：Longitudinal zero thermal expansion in Re-Fe (R=Tb, Er) eutectic alloys with high fracture resistance
第一作者：苏芨玄
通讯作者：林鲲
通讯单位：北京科技大学
DOI：10.20517/microstructures.2024.18
图片摘要
01
背景介绍
合金通常随着温度的升高而膨胀、随着温度的下降而收缩，即由于原子间相互作用势的非简谐性而发生“热胀冷缩”。纵向零热膨胀（LZTE）指在特定温度范围内，材料可以在一个方向上保持恒定的尺寸，而在其他方向上保持正常的正热膨胀。LZTE材料的纵向尺寸稳定性能维系高精度，而径向内的正膨胀可与其它材料兼容，因此具有独特的应用潜力。然而，LZTE合金十分罕见，且通常存在于有序金属间化合物中，力学性能较差。
02
文章简介
在这篇文章中，我们受相图原理启发，利用简易的亚共晶反应将Th2Zn17型六方结构Re2Fe17 (Re=Tb, Er) 金属间化合物与bcc结构α-Fe单质结合形成天然双相合金。借助电弧熔炼中底部铜冷却壁形成的温度梯度，实现LD方向的纤维织构。同步辐射XRD数据Rietveld精修发现两相的相比例与Re含量之间存在线性关系。微结构分析表明不连续的α-Fe相均匀分布在连续的Re2Fe17基体相中。变温XRD、线膨胀测试了Tb0.05Fe0.95的本征晶格热膨胀与宏观热膨胀曲线，从微观上证明了Tb0.05Fe0.95的纵向零热膨胀的构筑机制。改变稀土元素含量可精确控制两相比例，进而实现Re-Fe双相合金从轴向负热膨胀到零热膨胀再到正热膨胀的连续调控，其中样品Tb0.05Fe0.95 (α1 = 0.029 × 10-6 K-1, 110 - 425 K)和Er0.04Fe0.96 ( α1 = -0.33 × 10-6 K-1, 110 - 330K)在LD方向具有涵盖室温的较宽温度区间零热膨胀。通过热循环测试证明了Tb0.05Fe0.95和Er0.04Fe0.96的零热膨胀热稳定性，并且通过HR-TEM证明其热循环稳定性来源于坚固的亚共晶相界面。力学性能测试发现Tb0.05Fe0.95（抗压强度为0.80 GPa，最大应变为3.9%）和Er0.04Fe0.96（抗压强度为0.73 GPa，应变为13.8 %）还具有良好的强度和塑性。断面的SEM图像证明其力学性能来源于高塑性α-Fe对Re2Fe17相裂纹扩散的阻碍作用和高强度Re2Fe17相基体骨架作用。
03
结论与展望
本文通过优化合金成分和亚共晶反应的相分数调控设计，得到了两种新型的纵向零热膨胀双相合金Tb0.05Fe0.95和Er0.04Fe0.96。两种合金均具有较高的力学性能、热循环稳定性、可加工性以及包括室温在内的宽温度范围内的LZTE性能。系统分析表明，织构和相界面等微结构的精细调控是合金实现纵向零热膨胀和强韧性的关键。在现有的LZTE合金中，Tb0.05Fe0.95和Er0.04Fe0.96合金的综合性能优异，具有良好的应用前景。通过织构和双相同步实现LZTE和力学性能的设计思想也可应用到其他领域的材料设计中。
基金支持
通讯作者简介
林鲲，北京科技大学教授、固体化学研究所副所长，国家重大人才工程（青年项目）获得者。研究领域为无机固体化学、功能材料构效关系，包括负（零、低）热膨胀固体的合成与机理、晶态/非晶固体的结构化学、新颖磁/电功能材料等。研究手段包括基于国内外同步辐射、中子衍射等先进大科学装置的原位衍射、PDF以及TEM等。研究成果在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、JACS、Adv. Mater.、Acta. Mater.等学术期刊发表研究论文60余篇。主持国家自然科学基金项目3项、“博士后创新人才支持计划”项目1项、中央基本科研业务费5项；作为骨干成员参与国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目各1项。
关于期刊
Microstructures [ISSN 2770-2995(Online)]是一本金色开放获取，严格同行评议的国际学术期刊，目前已被ESCI, Scopus, CAS, Dimensions, Lens, CNKI等重要数据库收录。刊文范围包括从微观尺度到原子尺度，面向终端用户的应用程序的设计、制造、建模、表征、测试和评估，涵盖但不限于金属和合金、陶瓷、聚合物、复合材料、晶体、玻璃、生物材料、界面和纳米材料等。
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