為什麼有些材料加熱會縮小？揭秘負熱膨脹NTE材料

熱脹冷縮是什麼？為什麼材料會膨脹？那負熱膨脹材料又是什麼?

 

熱脹冷縮的基本概念

我們日常生活中最熟悉的物理現象之一就是「熱脹冷縮」：物體受熱會膨脹、遇冷會收縮。像是夏天鐵軌遇熱會膨脹、冬天收縮，工程師在建橋時都要預留伸縮縫；同理，現在很多年輕人喜歡用木地板做為新家的裝潢之一，師傅同樣也會預留伸縮縫，避免因為熱脹冷縮使木地板損壞。

這是因為材料中的原子在受熱時會吸收能量，振動幅度增大，晶格間距變大，整體尺寸膨脹。然而，並不是所有材料都遵循這個規律，有些材料反而會在加熱時縮小，這類材料就稱為 負熱膨脹材料（Negative Thermal Expansion, NTE）。

 

負熱膨脹材料是什麼？

NTE材料的定義是在特定溫度範圍內，加熱時尺寸縮小、遇冷反而膨脹的材料。這種反直覺的特性通常來自於材料晶格結構或分子結構的特殊排列，而非原子本身的「反向收縮」。
 

1. 晶格翻轉/旋轉效應
   • 某些陶瓷材料如 ZrW₂O₈（鋯鎢氧化物）
   • 原子連結形成「旋轉單元」，受熱時晶格內部單元旋轉 → 整體晶格收縮
2. 分子框架壓縮效應
   • 分子多孔結構（MOFs）或某些金屬氧化物
   • 加熱時框架內部空間壓縮 → 材料尺寸縮小

 

 

常見 NTE 材料與特性

 

材料類型	代表化合物	熱膨脹係數 (×10⁻⁶/K)	應用範圍
金屬氧化物	ZrW₂O₈、HfW₂O₈	-9 ~ -3	精密陶瓷、光學基板、晶片封裝
鈣鈦礦類	ScF₃、ReO₃	-10 ~ -5	精密機械零件、航太元件
金屬有機框架 (MOFs)	某些 Cu-MOF、Zr-MOF	-20 ~ -5	氣體吸附、溫控材料

 

 

負熱膨脹材料有哪些潛在的應用呢?

• 半導體與電子封裝
  • 電路板和晶片對熱敏感，材料膨脹不同會產生應力(尤其是環氧樹脂)
  • 在封裝中加入 NTE 材料 → 降低熱應力、延長元件壽命、增加可靠度
• 精密光學與測量儀器
  • 光學鏡片或干涉儀，尺寸微小變化都會影響精度
  • 使用 NTE 材料製作支架或基板 → 保持穩定性
• 航太與高精密機械
  • 飛機、衛星零件受極端溫差影響
  • NTE 複合材料可控制熱膨脹 → 減少熱應力和變形
• 醫療與化學設備
  • 高精密測量儀器、反應器中需要溫度穩定
  • NTE 材料可減少結構變形，提高測量精度

不過負熱膨脹材料也是有此材料的挑戰與限制,  舉例來說有以下幾點

• 加工困難
  • 很多 NTE 材料是陶瓷或複雜晶體，韌性不足、脆性大
  • 加工成薄膜或複合材料需特殊工藝
• 成本高
  • 高純度氧化物或 MOFs 製備成本高
  • 大規模量產尚不普遍
• 溫度範圍限制
  • 大部分 NTE 材料只在 特定溫度範圍內呈現負膨脹
  • 超過範圍會變為正膨脹
• 複合調控
  • 為了應用，需要與正膨脹材料如球形二氧化矽做搭配
  • 比例與分散均勻度對性能影響大

 

總結

負熱膨脹材料突破了我們對熱脹冷縮的直覺認知，雖然在自然界少見，但在高精密、電子、航太、光學等領域中具有極高的開發潛力及價值。隨著材料科學與奈米技術進步，我們將看到 NTE 材料更廣泛的應用，從微米級電子封裝到宏觀航太結構，都可能因為這些「越熱越縮」的神奇材料而更加穩定可靠!

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