热胀冷缩是日常所见物理现象。但温度变化对航空航天、光学仪器和电子电路等领域有巨大影响。世界上是否有“零膨胀”的材料？

社区里，东莞理工科技创新研究院中子散射技术工程中心王皓亮博士正在推进该材料的研究，并取得重要进展。

“同世界上该领域的其他几个研究团队比较，我们团队对于零膨胀钛合金的理论研究具有一定的特色和领先性，目前制备的可调控热膨胀钛合金材料使用温度上限比美国科研团队的产品高出200℃。”日前，东莞理工学院机械工程学院王皓亮博士在接受采访时表示。

在2018年入职东莞理工学院机械工程学院之前，王皓亮博士先后在哈尔滨工业大学、北京科技大学、中国科学院金属研究所完成本科、硕士、博士学位的学习。而上述三家单位均是国内金属材料研究的顶尖院校或研究所。

多年的求学经历，让王皓亮博士掌握了丰富专业知识，具备了扎实的实验技能。最重要的是，具有强烈的好奇心，坚持不懈和持之以恒的研究态度。

2019年社区落成之后，除了在校内从事教学工作的同时，也来到位于社区D2栋的东莞理工科技创新研究院中子散射技术工程中心开展研究工作。

2021年8月，中国散裂中子源多物理谱仪建成以来的首篇用户实验成果发布。这篇题目为《Nano-precipitation leading to linear zero thermal expansion over a wide temperature range in Ti22Nb》的研究论文发表在冶金材料领域的TOP期刊《Scripta Materialia》，介绍了在宽温域线性零膨胀钛合金特殊热膨胀性能形成机理方面取得的最新理论进展。论文第一作者正是东莞理工学院机械工程学院王皓亮博士。这是他自2012年读博期间的心心念念的科研设想，10年后在东莞松山湖取得重要进展。

自然界中绝大部分的材料都遵循“热胀冷缩”的自然规律。日常生活，“热胀冷缩”这一物理现象有着很重要的作用，例如，生病发热时候测体温的水银温度计，利用的是水银的热胀冷缩，还有每天使用的电热水壶、电饭煲、咖啡机以及起到电路保护作用的空气开关，利用的是热双金属片的受热膨胀弯曲。

但是，因温度变化而导致的形状变化对航空航天、光学仪器和电子电路中使用的零件功能性和可靠性有着很大影响。因此研发“热缩冷胀”材料，通过正负膨胀复合调控材料热变形，在需要高尺寸稳定性的结构中具有极高的应用价值。

2012年读博士期间，王皓亮博士在研究钛铌基合金高低温弹性性质的实验过程中，意外发现某些试验样品在几百摄氏度的范围内具有热缩冷胀的能力，已有的理论无法解释这一现象，从此开始针对该问题开始研究。同时期，美国、欧洲、日本的学者也陆续发表论文，针对这一反常现象的研究开始引起更多关注。

针对该问题的研究，需要深入到原子尺度，在温度变化的过程中原位解析原子间距的变化规律，研究这一问题的有利工具是高能同步辐射光源和散裂中子源，而当时国内并没有这样的实验条件。

虽然在2012-2014曾经多次赴位于法国的欧洲同步辐射光源进行实验，采集了20K到600K之间的数据，但是仅仅分析出来400K到600K之间的实现现象，仍无法解释热缩冷胀现象的机理。

2015年至2017年，奥地利学者Bonisch博士利用德国的DESY同步辐射光源针对该现象开展的实验取得成功，连续发表多篇论文，极大地推动了该领域的理论发展。

与此同时，自2018年以后该方向的研究得到了东莞理工学院机械工程学院领导的认可和支持。东莞理工学院参与建设的中国散裂中子源多物理谱仪为该研究提供了便利，2021年在多物理谱仪团队的协助下，完成了中子衍射表征实验。有了先进的表征设备和充裕的场地支持，该领域的研究进展逐渐加快。

“一个新材料的研发需要多个领域的专业人士参与和多种表征设备的共同推进。多物理谱仪对于这一新材料的研究具有相当程度的加速作用，为科研进展提供了极大便利。否则，还要辛辛苦苦跑到国外去。”王皓亮博士表示，2021年8月发表的论文正是在此背景下完成的。

这块具有“零膨胀”的新材料的未来应用场景是怎样的？  

“除了材料理论研究以外，正在加快材料成形制造工艺研究，和相关企业技术交流、洽谈合作，将材料应用在高功率的电子产品中。”王皓亮博士表示，包括东莞在内的大湾区，电子信息行业和新能源电池极为发达，在这一领域有所进展也在意料之中。

据王皓亮博士介绍，目前，美国Texas A&M大学Monroe博士团队创立的Allvar合金公司，承担了航天等的研究项目，将负膨胀系数钛合金应用在天文望远镜、激光器谐振腔还有瞄准镜等领域，对于这一新材料的应用进展有相当程度的示范和启发作用。

“同世界上该领域的其他几个研究团队比较，我们的理论研究也有一定的特色和领先性，目前我们制备的可调控热膨胀钛合金材料使用温度上限比美国研究团队的产品高200℃。”王皓亮博士对于未来的发展充满信心。