文章导读
你是否想过，一种材料竟能“热缩冷胀”，且超越现有所有同类材料？西安交大马天宇教授团队最新研发的Fe-Co-Ni-Ti主元合金，突破性地实现了超宽温域（>2K）与超强抗压（2.64 GPa）的协同，破解了负热膨胀材料长期存在的“强韧难兼”与“温域受限”两大难题。通过多主元设计与异质结构调控，该材料不仅可实现负膨胀，还能通过热处理精准调控至零膨胀，为航空航天等极端环境下的精密器件提供了全新解决方案。这项发表于《先进材料》的成果，或将重塑高精度传动系统材料的未来格局。
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负热膨胀材料是降温时产生反常膨胀（即热缩冷胀）的特种功能材料，在精密传动等高技术领域应用前景广阔。空天大温差复杂环境应用要求负膨胀材料不仅服役温域宽，而且具备良好的机械承载性。然而，多数负膨胀材料为本征脆性的金属间化合物，强度不足；尽管少部分具有负热膨胀效应的一级相变合金力学性能良好，但存在服役温域窄的先天不足。因此，亟需研发同时具有高强度和宽使用温域的负膨胀材料，从而满足上述苛刻要求。
近期，前沿院马天宇教授团队基于多主元交互效应思想，设计出了一种高强度宽温域负热膨胀Fe-Co-Ni-Ti多主元合金。该体系的FCC基体降温时发生单胞膨胀结构转变，从而产生负热膨胀效应；微米尺度的BCC淬火马氏体和纳米尺度的有序FCC颗粒提供强化效应，并约束FCC基体的相变动力学，从而使其具有高强度和宽使用温域。通过简单的热处理调控异质相体积分数，不仅可以进一步提高合金的强度，还可以拓宽负热膨胀温域，甚至获得零膨胀效应。经成分和工艺优化后，合金负膨胀温域超过200K，可满足航空工业服役需求；抗压强度可达2.64 GPa，高于公开报导报道的其他负膨胀材料（图1）。因此，该工作为发展高强度负膨胀合金提供了新思路，也为大温差高载荷环境服役的负膨胀材料提供了重要候选。
图1 FeCoNiTi合金的热膨胀曲线、压缩应力-应变曲线、主要性能指标与其他负热膨胀材料的比较
相关工作以《超强负热膨胀多主元合金》（“Ultrastrong Negative Thermal Expansion Compositionally Complex Alloy”）为题在线发表于材料领域国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）。西安交通大学前沿科学技术研究院为论文第一通讯单位。合作者包括杭州电子科技大学刘孝莲博士团队、四川大学刘畅博士、前沿院梁传鑫博士和张华磊教授团队。前沿院助理教授苟峻铭博士和博士研究生潘贇同学为论文第一作者，刘畅博士、梁传鑫博士和马天宇教授为论文通讯作者。
研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目和金属材料强度全国重点实验室等支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507767
马天宇教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/matianyu/home
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