東工大ら、温度が上がると収縮する負の熱膨張材料を発見。樹脂に匹敵する巨大な熱膨張率

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東京工業大学応用セラミックス研究所の岡研吾助教、東正樹教授らと京都大学の研究グループは、ビスマス・ランタノイド・ニッケル酸化物(Bi1-xLnxNiO3)が巨大な負の熱膨張を示すことを発見した。線熱膨張係数は樹脂材料に匹敵する巨大なものであり、動作温度範囲を室温付近の400~200Kの間でコントロールできるという。Applied Physics Letters に論文が掲載されている。

(a) Bi1-xLnxNiO3における温度誘起電荷移動相転移。(b) 粉末X線回折パターンから求めた平均格子体積の温度変化。(c) 熱機械分析装置で測定した試料片長さの温度変化 (出所:東京工業大学)

Bi1-xLnxNiO3Ln = La, Nd, Eu, Dy)は、ビスマス(Bi)、ニッケル(Ni)、酸素(O)がペロブスカイトと呼ばれる結晶構造をとった酸化物。6GPa、1000℃という高圧高温条件で合成される。ビスマスの一部は、ランタノイド元素(Ln)で置換されている。

今回の研究では、平均格子体積の温度変化を調べる粉末X線回折法(XRD)と直接試料片長さの温度変化を調べる熱機械分析法(TMA)を用いてこれらの試料を評価し、負の熱膨張挙動の組成依存性を検証した。その結果、Bi0.95Ln0.05NiO3Ln = La, Nd, Eu, Dy)というすべての組成で、線熱膨張係数αL = 70×10-6/Kを超える巨大な負の熱膨張が起こることを見いだした。この値は、熱膨張の大きな樹脂材料に匹敵する。

Bi0.95Ln0.05NiO3では280~400Kという室温以上の実用性の高い温度領域で負の熱膨張を示した。これらの材料の負の熱膨張が起こる温度は、置換するランタノイドのイオンを小さくすることで高くでき、また置換量を増やすことで低くコントロールできることも発見した。

電子部品や光通信などのナノスケールでの加工精度が必要とされる産業では、熱膨張によるわずかな位置ずれが致命的な問題となる。この問題を解決するアプローチとして、温度を上げると体積が収縮する負の熱膨張現象を応用し、構造材の熱膨張を抑制する手法がある。今回発見された材料は、負の熱膨張特性をチューニングでいるため、所望の温度範囲で構造材の正の熱膨張を抑制可能であると期待できる。


発表資料

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