近期，陈骏教授课题组在低热膨胀钢铁材料、零膨胀合金等方面取得了系列研究进展。众所周知，热胀冷缩是自然界中常见现象，被认为是物质的基本属性。随着航空航天、精密加工、集成电路、光学仪器等领域的快速发展，对材料热膨胀系数调控提出了更高的要求。具有零膨胀特性的材料可以大幅提高抗热冲击性及尺寸稳定性，提升测量或加工精度；不同部件之间匹配的热膨胀系数可显著降低热应力，进而延长器件使用寿命。金属材料因升温时自由电子离域程度较大，往往展现出较高的热膨胀系数。为克服该问题，通常采用添加高含量陶瓷等方式降低金属热膨胀系数，但与此同时带来机械性能下降、加工困难、成本提升等系列问题，金属基材料热膨胀调控是研究的难点。

最近的研究发现少部分材料呈现出反常的“热缩冷胀”，即体积随温度升高反常减小，该现象称为负热膨胀。负热膨胀材料的出现为消除或调控材料热膨胀在实际应用中带来的负面影响提供了解决方案。陈骏教授课题组通过组分设计、相结构调节等方法探索出多种金属基负热膨胀新化合物。通过粉末冶金、多相复合等方法实现了Fe、Cu等常用金属材料热膨胀性能调控。例如：通过粉末冶金方法制备出高热导、低膨胀、力学性能优异的Cu基复合材料；通过多相复合熔炼将钢铁材料热膨胀系数降低了一半；研发出超宽温区零膨胀合金等（-150 ~ 50 ℃，0.66ppm/K)。

相关研究成果发表于Prog. Mater. Sci. 2021, 121, 100835; Compos. B. Eng. 2022, 109883; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 602等。并与中国兵器工业集团、中电科集团开展了低膨胀金属材料在低温红外探测、电子封装方面的应用。

图1 粉末冶金法制备的零膨胀铜基复合金属材料

图2 低膨胀钢铁材料

图3 宽温区零膨胀稀土-铁基合金Tb(Co,Fe)₂