一種負熱膨脹陶瓷材料Fe2?xScxMo3O12及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于無機功能陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種負熱膨脹陶瓷材料fe2-xscxmo3o12及其制備方法。

背景技術(shù)：

負熱膨脹材料是一種具備反常熱膨脹性能的材料，它隨著溫度的變化體積發(fā)生“熱縮冷脹”。近些年來隨著微電子、光學和微機械等領(lǐng)域的器件微型化和航空航天技術(shù)的發(fā)展，材料的精確尺寸對器件的功能至關(guān)重要。而熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力常是器件疲勞、性能下降、失效甚至斷裂和脫落的主要原因。器件尺寸往往會因工作環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，導致器件的性能不穩(wěn)定甚至失效。負熱膨脹材料的發(fā)現(xiàn)為解決這類問題提供了可能，可以通過將具有負熱膨脹系數(shù)與正熱膨脹系數(shù)的材料進行復合，以期制備各種可控熱膨脹乃至零膨脹的復合材料。

a2m3o12(a＝sc,yb,in,y,等；m＝w,mo)系列負熱膨脹材料眾多，并以其優(yōu)異的性能近些年來得到快速發(fā)展。研究表明：該系列材料的熱膨脹性能主要取決于a位陽離子，不同a位陽離子會使得a2m3o12系列材料呈現(xiàn)不同的熱膨脹特性。其中fe2mo3o12是該系列中負熱膨脹化合物的一員，但是其在室溫下為單斜相，表現(xiàn)出正熱膨脹，在499℃時，才轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈较?，表現(xiàn)出良好的負熱膨脹性能，這對其今后應(yīng)用十分不利。為使其在室溫及以上溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為有穩(wěn)定的負熱膨脹性，通過進行sc離子摻雜，制備得到一種具有優(yōu)異負熱膨脹性能的新型材料，將有著重要的研究意義和實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在室溫以上具有穩(wěn)定負熱膨脹性能、制備工藝簡單、合成成本低的新型負熱膨脹材料fe2-xscxmo3o12及其制備方法。

實現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是：

一種負熱膨脹陶瓷材料fe2-xscxmo3o12，該材料以moo3、sc2o3、fe2o3為原料，采用固相法合成制備，其中1.4≤x≤1.6。

上述一種負熱膨脹材料fe2-xscxmo3o12的制備方法，包括如下步驟：

(1)合成fe2-xscxmo3o12的原料為分析純sc2o3、fe2o3、moo3粉末，按照一定的化學計量比稱重sc2o3、fe2o3和moo3，在水中混合后球磨3～9h，將球磨混合后的原料在100～120℃烘箱中烘干，然后再用瑪瑙研缽研磨0.5～1h，在700～750℃預燒7～12h。

(2)將步驟(1)中預燒的粉體用瑪瑙研缽研磨30～40min，加入占前驅(qū)體總質(zhì)量1～3％的聚乙烯醇，研磨20～30min使其混合均勻，然后在20～30mpa下冷壓成型壓片。

(3)將步驟(2)中壓片后的物料，置于爐內(nèi)在550℃排膠2～3h，在780～900℃高溫燒結(jié)12～24h，隨爐冷卻后得到負熱膨脹陶瓷材料fe2-xscxmo3o12。

上述一種負熱膨脹fe2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟(1)中，原料sc2o3、fe2o3、和moo3的摩爾比為x：2-x：6，1.4≤x≤1.6。

上述一種負熱膨脹fe2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法，步驟(1)中，球磨時原料sc2o3、fe2o3、和moo3的質(zhì)量和：瑪瑙球：酒精的質(zhì)量比為1:3:1。

上述一種負熱膨脹fe2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟(2)中，冷等靜壓成型過正中，分二階段逐步增壓，分別在最終成型壓力的1/2和最終成型壓力處保壓5min。

上述一種負熱膨脹fe2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟(3)中，所述燒結(jié)在箱式爐中燒結(jié)，升溫速率為5℃/min。

采用x射線衍射儀(xrd)對陶瓷樣品進行物相結(jié)構(gòu)分析；采用掃描電子顯微鏡(sem)觀察制備陶瓷樣品的斷面形貌；采用熱機械分析儀(tma)對陶瓷樣品進行負熱膨脹性能表征。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：以原料sc2o3、fe2o3、和moo3的摩爾比為0.75:0.25:3為例，對本發(fā)明制備的負熱膨脹材料fe0.5sc1.5mo3o12具體性能進行檢測分析可以發(fā)現(xiàn)：制備樣品為斜方相fe0.5sc1.5mo3o12陶瓷，形成固溶體，不含雜質(zhì)峰，陶瓷結(jié)構(gòu)致密，且該材料在室溫及以上具有穩(wěn)定且良好的負熱膨脹性能，其熱膨脹曲線在室溫到700℃的溫度范圍內(nèi)近乎為直線，說明其熱膨脹性能穩(wěn)定。在測試溫度區(qū)間內(nèi)，其線性熱膨脹系數(shù)高達-5.70×10^-6/k。而且制備工藝簡單，燒結(jié)溫度低，成本低、環(huán)保無污染，具有廣泛的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明負熱膨脹材料fe0.5sc1.5mo3o12的xrd圖譜。

圖2為本發(fā)明負熱膨脹材料fe0.5sc1.5mo3o12陶瓷的sem圖譜。

圖3為本發(fā)明負熱膨脹材料fe0.5sc1.5mo3o12陶瓷的熱膨脹曲線。

具體實施方式

本實驗所用原料為：sc2o3(分析純)、fe2o3(分析純)和moo3(分析純)。

固相法制備負熱膨脹材料fe2-xscxmo3o12，其中1.4≤x≤1.6，下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步的描述。

實施例1

(1)合成fe0.6sc1.4mo3o12的原料為分析純sc2o3、fe2o3、moo3粉末，按照0.7：0.3：3的化學計量比稱重sc2o3、fe2o3和moo3，在水中混合后球磨3h，將球磨混合后的原料在100℃烘箱中烘干，然后再用瑪瑙研缽研磨1h，在750℃預燒7h。

(2)將步驟(1)中預燒的粉體用瑪瑙研缽研磨40min，加入占前驅(qū)體總質(zhì)量1％的聚乙烯醇，研磨30min使其混合均勻，然后在20mpa下冷壓成型壓片。

(3)將步驟(2)中壓片后的物料，置于爐內(nèi)在550℃排膠2h，在900℃高溫燒結(jié)12h，隨爐冷卻后得到負熱膨脹陶瓷材料fe0.6sc1.4mo3o12。

實施例2

(1)合成fe0.5sc1.5mo3o12的原料為分析純sc2o3、fe2o3、moo3粉末，按照0.75：0.25：3的化學計量比稱重sc2o3、fe2o3和moo3，在水中混合后球磨6h，將球磨混合后的原料在110℃烘箱中烘干，然后再用瑪瑙研缽研磨0.6h，在730℃預燒9h。

(2)將步驟(1)中預燒的粉體用瑪瑙研缽研磨35min，加入占前驅(qū)體總質(zhì)量2％的聚乙烯醇，研磨25min使其混合均勻，然后在25mpa下冷壓成型壓片。

(3)將步驟(2)中壓片后的物料，置于爐內(nèi)在550℃排膠2.5h，在830℃高溫燒結(jié)18h，隨爐冷卻后得到負熱膨脹陶瓷材料fe0.5sc1.5mo3o12。

實施例3

(1)合成fe0.4sc1.6mo3o12的原料為分析純sc2o3、fe2o3、moo3粉末，按照0.8：0.2：3的化學計量比稱重sc2o3、fe2o3和moo3，在水中混合后球磨9h，將球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，然后再用瑪瑙研缽研磨0.5h，在700℃預燒12h。

(2)將步驟(1)中預燒的粉體用瑪瑙研缽研磨30min，加入占前驅(qū)體總質(zhì)量3％的聚乙烯醇，研磨30min使其混合均勻，然后在30mpa下冷壓成型壓片。

(3)將步驟(2)中壓片后的物料，置于爐內(nèi)在550℃排膠3h，在780℃高溫燒結(jié)24h，隨爐冷卻后得到負熱膨脹陶瓷材料fe0.4sc1.6mo3o12。

下圖1是制備sc1.5fe0.5mo3o12陶瓷的xrd圖譜，從圖中可知制備的sc1.5fe0.5mo3o12為斜方相，具有較高純度，不含雜質(zhì)峰。圖2是負熱膨脹材料sc1.5fe0.5mo3o12的sem圖譜，從圖中可以看出制備陶瓷樣品結(jié)構(gòu)致密；圖3是制備負熱膨脹材料sc1.5fe0.5mo3o12陶瓷的熱膨脹曲線，表明該材料具有良好的負熱膨脹性能，其熱膨脹曲線在室溫到700℃的溫度范圍內(nèi)近乎為直線，說明其熱膨脹性能穩(wěn)定。在測試溫度區(qū)間內(nèi)，其線性熱膨脹系數(shù)高達-5.70×10-6/k。