现代生活中，在精密仪器仪表、微波通讯、石油运输容器、甚至航天遥感器、精密激光、光学测量系统中需要用到一类材料——因瓦合金。1896年瑞士物理学家C.E.Guialme发现了这种奇妙的合金，它在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少，出现所谓反常热膨胀现象，从而可以在室温附近很宽的温度范围内，获得很小的甚至接近零的膨胀系数。

自因瓦合金问世的100多年以来，取其低膨胀系数低这一特征的应用领域迅速扩大，用因瓦合金制造的精密仪器仪表、标准钟的摆杆、摆轮及钟表的游丝成为早期最重要的产品。后来发展到无线电电子管、恒温器中作控温用的热双金属片、长度标尺、大地测量基线尺等，到了 80 年代~90年代，广泛用于微波技术、液态气体储容器、彩电的阴罩钢带、架空输电线芯材、谐振腔、激光准直仪腔体。那么，瓦合金有些什么特性呢，其膨胀系数低的原因又是什么呢，下面小编将为您揭开谜底。

一、因瓦合金简介

这种合金的组成是 64%的Fe和36%的Ni，呈面心立方结构，其国内牌号为 4J36，它的中文名字叫殷钢，英文名字叫因瓦合金（invar），意思是体积不变。其在- 60～100℃内具有很小的膨胀系数，距离点较高，低温组织稳定性良好。这个卓越的合金对科学进步的贡献如此之大，致使其发现者 C.E.Guilaume 为此获得1920年的诺贝尔奖，在历史上他是第一位也是唯一的科学家因一项冶金学成果而获此殊荣。这种性能优异的合金，其主要性能参数如表1所示。

表1 不同温度范围（℃）的膨胀系数α（×10-6/℃）

温度范围

-196～20

-60～21

-20～21

0～21

21～100

膨胀系数

1.38

1.76

1.62

1.58

1.40

温度范围

21～200

21～300

21～400

21～500

21～600

膨胀系数

2.45

5.16

7.80

9.73

10.97

二、因瓦效应

一般来说，绝大多数金属和合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，它们的热膨胀系数呈线性增大。但是元素周期表中的铁、镍、钴等过渡族元素组成的某些合金，由于它们的铁磁性，在一定的温度范围内，热膨胀不符合正常的膨胀规律，这种反常热膨胀的现象称为因瓦效应。例如，4J36 因瓦合金在居里点以上的热膨胀与一般合金相似，但在居里点以下形成反常热膨胀。自因瓦效应发现至今，大量的科学工作者对其进行了不懈的研究。

目前，研究的热点主要集中在以下两个方面：一是因瓦合金反常的膨胀机理研究，二是新型的因瓦合金的研制。但是，对于因瓦合金的膨胀系数低或者说是反常膨胀这个特性的研究，至今仍让研究者孜孜不倦，并以此提出了一些理论。从1896~1956年间，冶金材料学家和物理学家一起从结构相变和唯相理论对因瓦效应的起源进行研究，直至1957年苏联科学家Kondorsky提出在因瓦合金中存在潜在反铁磁性相的理论模型开始，因瓦效应研究进入了近代物理学的研究轨道，但仍处于只从静态物理特性角度研究因瓦效应的阶段。1978年Ishikawa Y教授用非弹性中子散射研究了晶态因瓦合金的自旋波动力学特征，1979年，Endoh Y教授用非弹性中子散射研究了晶态因瓦合金晶格动力学特征，开始从动力学高度研究其反常的膨胀机理。

三、因瓦合金反常膨胀机理

综合文献调研来看，对因瓦合金的反常热膨胀机理主要有以下几种理论。

（1）磁致伸缩的热力学理论

在居里点以上，因瓦合金与一般合金的热膨胀系数相似，但在居里点以下，会出现反常的低膨胀，如图1所示。这是由于因瓦合金在居里点以下成铁磁性，随合金饱和磁化强度的变化，相应地发生体积变化，这就是本征体积磁致伸缩效应。当温度提高时，因瓦合金的饱和磁化强度急剧下降，并伴随有较大的体积收缩，它抵消了由于原子热振动加剧而产生正常热膨胀的值。从图1还可以看出，当含有32%~36%的镍合金具有很低的线膨胀系数，一般平均膨胀系数为 α=1.5×10-6℃，含Ni量达到 36%时，因瓦合金热膨胀系数最低，达到α=1.8×10-6℃，从而可获得低到接近零值甚至负值的热膨胀系数。此外，还有一些反铁磁性合金，如Fe-Mn系合金，在奈尔点温度以下具有反铁磁性，当温度升高时，由于反铁磁性造成的体积收缩，抵消了一部分正常的热膨胀，显示出反常的热膨胀特性。

图1 因瓦效应

（2）济纳的s-d电子交换学说

在顺磁磁化过程中的各向同性体积伸缩是由铁磁物质中的强交换作用使体积变化。济纳认为，铁磁物质中3d层电子的交换作用是负的，并且该交换作用随邻近电子层的相互重叠而强烈增加，因而使自旋平面的原子相互排斥而离开。铁磁性的耦合（即正交换作用）来源于外层S电子。这些自由 电子可透过许多原子，因此当原子距离减小时，正交换作用的增加只能是缓慢的。对于铁磁性物质，正交换作用必然超过负交换作用，但又因上述交换作用非常强烈，故当温度降低而平行的自旋增多时，原子间的排斥作用使晶格扩张而引起体积膨胀，使该铁磁物质的热膨胀呈负的反常热膨胀。

（3）双态假说（不均匀结构模型）

按希劳索等人的研究，具有面心立方结构的Fe-Ni系因瓦合金是由很多个微粒组成的不均匀整体。粒心是短程有序的稳定的Ni3Fe，成面心立方，具有铁磁性：粒表是不稳定的γ-Fe，呈面心立方，具有反铁磁性；粒心与粒表之间的过渡区是不稳定的Fe-Ni有序固溶体，呈面心立方，具有铁磁性。面心立方的铁有两种状态，即两种电子状态，γ1态的原子磁矩σ1为0．5μB，晶格常数a1为0．354nm；γ2态的σ2为2.8μB，a2为0.364nm；Fe-Ni微区中Ni高于29％时，铁的γ2态为基态，因γ1和γ2态间能量差常低于0.035eV，故外界条件对γ1和γ2间的转变很敏感。在升温是由部分γ2态热激发为γ1态，即铁的晶格常数a由0.364nm减小到0.354nm，而呈现负反常热膨胀。

（4）近代研究其他理论

在因瓦效应领域，因瓦理论与磁性理论的研究是相辅相成的，有时甚至是相一致的。1980年我国学者鲜于泽、卢志超等人用非弹性中子、磁化强度随温度的变化和热膨胀系数测量证实，在非晶态因瓦合金中也存在潜藏激发，并且因瓦效应愈强，磁化强度随温度下降愈快，即潜藏激发愈多，并由此得出结论：因瓦效应可能起因于能使铁磁性不稳定的特殊电子结构。

鲜于泽、卢志超等人还利用X光电子能谱（XPS）技术证 1T 1979年Endoh等人提出的推论：因瓦合金的声子软化来源于费米能级处有大的电子态密度而引起的电子一声子相互作用增强，从而引起了因瓦效应；并对潜藏激发元的物理本质提出新的解释：在铁磁状态下，巡进铁磁体的能带出现劈裂，导致自发磁化，而声子的激发将影响能带劈裂状态，即声子激发也将产生磁矩效应。KimD J基于电子一声子相互作用理论计算表明声子携带负号磁矩。由此可得出：由于因瓦合金有较大的低能声子态密度，增加温度将导致较多的声子被激发，从而使磁矩的下降比单独由自旋波激发预期的结果快，因此，因瓦合金的磁矩会出现随温度增加而急剧下降的反常特征。

2003年日本学者M．Matsushita等人测量了Fe68.1Ni31.9在4.2~400K范围，高压至7.7GPa下的交流磁化率，发现铁磁相（FM）会随着压力的增加逐渐减少直至消失，这为因瓦效应的研究提供了一个新的思路。2011年日本研究人员发表论文说，量子波动是因瓦合金在低温条件下不膨胀的原因。他们利用同步辐射加速器产生的射线束以及Ｘ射线吸收精细结构（XAFS）分光法，详细分析了因瓦合金中的铁原子和镍原子的原子间距离随温度变化而产生的变化，测定了铁和镍局部的热膨胀，并进行了基于魏斯模型的经典力学计算。研究结果表明，低温环境下的因瓦效应不遵循魏斯模型，其主要成因是量子波动。

四、结语

因瓦合金问世一百多年来，因瓦效应的研究已取得很大的进展。它不仅是阐明金属及其合金、金属间化合物磁性起源的重要途径，而且在精密仪器仪表、微波通讯、航空航天以及石油运输容器等领域也有着广泛的实际应用价值。只是到目前为止人们对其机理仍未完全清楚，有些理论需要进一步完善、验证，但相信随着社会的进步、科研手段的提高，不久的将来一定能够很好揭示因瓦合金膨胀系数低之谜。