本發(fā)明屬于無機(jī)功能陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種負(fù)熱膨脹陶瓷材料al2-xscxmo3o12及其制備方法。

背景技術(shù)：

自然界大多數(shù)材料隨著溫度的變化發(fā)生“熱脹冷縮”，但也有少數(shù)材料會(huì)發(fā)生“熱縮冷脹”現(xiàn)象，這類材料稱之為負(fù)熱膨脹材料。負(fù)熱膨脹材料在航空航天、微電子、光學(xué)和微機(jī)械等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用前景。隨著科技的發(fā)展，高精密器件對(duì)自身的精確尺寸要求越來越高，這對(duì)器件的功能也至關(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(huì)因工作環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致器件的性能不穩(wěn)定甚至失效。負(fù)熱膨脹材料的發(fā)現(xiàn)為解決這類問題提供了可能。

負(fù)熱膨脹材料主要有以下三個(gè)系列：am2o7系列（a=zr,hf;m=v,p）；am2o8系列（a=zr,hf;m=w,mo）；a2m3o12系列（a=sc,yb,in,y,等;m=w,mo）。雖然經(jīng)過多年的研究與探索，發(fā)現(xiàn)了一些新的負(fù)熱膨脹材料，但其負(fù)熱膨脹性能都存在一定的不足。比如am2o8系列負(fù)熱膨脹材料在其負(fù)熱膨脹相應(yīng)溫度范圍內(nèi)存在相變，會(huì)導(dǎo)致其熱膨脹性能的突變；am2o7系列的負(fù)熱膨脹材料的負(fù)熱膨脹在102℃以上才表現(xiàn)為負(fù)熱膨脹。a2m3o12（a=sc,yb,in,y,等;m=w,mo）系列負(fù)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(huì)使得a2m3o12系列材料呈現(xiàn)不同的熱膨脹特性。當(dāng)a為y³⁺，ho³⁺，tm³⁺，er³⁺，yb³⁺，lu³⁺元素時(shí)，該部分負(fù)熱膨脹材料在空氣中易吸濕，室溫下熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)為正，隨著溫度升高，失去結(jié)晶水后，才表現(xiàn)為優(yōu)異的負(fù)熱膨脹特性，當(dāng)溫度降低到室溫后又會(huì)吸濕，失去負(fù)熱膨脹特性。這種易吸濕缺陷引起的熱膨脹特性改變難以克服，阻礙其走向?qū)嶋H應(yīng)用。然而當(dāng)a為in³⁺，fe³⁺，cr³⁺，al³⁺元素時(shí)，該部分負(fù)熱膨脹材料則不吸濕潮解。這五種元素的鎢酸鹽和鉬酸鹽均包含單斜相和斜方相兩種晶體結(jié)構(gòu)，其中單斜相呈現(xiàn)正熱膨脹，斜方相呈現(xiàn)負(fù)熱膨脹。隨著溫度的變化，該系列材料均會(huì)發(fā)生單斜相向斜方相的轉(zhuǎn)變。其中al2mo3o12從單斜相（正膨脹）到斜方相（負(fù)膨脹）的相轉(zhuǎn)變溫度為200℃。這種在室溫以上由于相轉(zhuǎn)變溫度的改變，帶來的熱膨脹性能由正到負(fù)的改變，對(duì)其應(yīng)用有著不利的影響，通過離子摻雜，將al2mo3o12的相變點(diǎn)移至室溫以下，制備得到一種新型負(fù)熱膨脹材料，有著重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)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(fù)熱膨脹性能、合成成本低、制備工藝簡(jiǎn)單的新型負(fù)熱膨脹材料al2-xscxmo3o12及其制備方法，

實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是：

一種負(fù)熱膨脹陶瓷材料al2-xscxmo3o12，該材料以sc2o3、al2o3和moo3為原料，采用分步固相法合成制備，其中0.35≤x≤0.45。

上述一種負(fù)熱膨脹材料al2-xscxmo3o12的制備方法，包括如下步驟：

（1）合成al2-xscxmo3o12的原料為分析純sc2o3、al2o3和moo3粉末，稱量前將原料置于180℃的烘箱中烘干24～36h，按照計(jì)量比稱重sc2o3、al2o3和moo3原料，在水中混合后球磨3-6h，將球磨混合后的原料在120～150℃烘箱中烘干，然后在600～750℃燒結(jié)6-12h；

（2）將步驟（1）中預(yù)燒的粉體用瑪瑙研缽研磨1-2h,加入占前驅(qū)體總質(zhì)量2～4%的聚乙烯醇，研磨20-40min使混合均勻，然后在100-150mpa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500℃排膠0.5～1h，在750-1100℃高溫?zé)Y(jié)12～24h，隨爐冷卻后得到負(fù)熱膨脹陶瓷材料al2-xscxmo3o12。

上述一種負(fù)熱膨脹al2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟（1）中，原料sc2o3、al2o3和moo3的摩爾比為x:2-x:6,0.35≤x≤0.45。

上述一種負(fù)熱膨脹al2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法，步驟（1）中球磨時(shí)原料sc2o3、al2o3和moo3的質(zhì)量：瑪瑙球：水的質(zhì)量比為1:4:2。

上述一種負(fù)熱膨脹al2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟（2）中冷壓成型過程中，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2min。

上述一種負(fù)熱膨脹al2-xscxmo3o12陶瓷的制備方法中，步驟（1）和（3）中所述燒結(jié)在箱式爐中燒結(jié)，升溫速率為7℃/min。

采用x射線衍射儀（xrd）對(duì)樣品進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；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(jī)械分析儀（tma）對(duì)陶瓷樣品進(jìn)行負(fù)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(diǎn)是：以原料sc2o3、al2o3和moo3的摩爾比為0.2:0.8:3為例，對(duì)本發(fā)明制備的負(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12具體性能進(jìn)行檢測(cè)分析可以發(fā)現(xiàn)：制備樣品為斜方相al1.6sc0.4mo3o12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(fù)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(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，其線性熱膨脹系數(shù)高達(dá)-2.19×10^-6/k。而且制備工藝簡(jiǎn)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(jià)值和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明負(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12的xrd圖譜。

圖2為本發(fā)明負(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12陶瓷的斷面sem圖譜。

圖3為本發(fā)明負(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12陶瓷的熱膨脹曲線。

具體實(shí)施方式

本實(shí)驗(yàn)所用原料為：sc2o3（分析純）、al2o3（分析純）和moo3（分析純）。

固相法制備負(fù)熱膨脹材料al2-xscxmo3o12，其中0.35≤x≤0.45，下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例1

（1）合成al1.6sc0.4mo3o12的原料為分析純sc2o3、al2o3和moo3粉末，按照計(jì)量比稱重sc2o3:al2o3:moo3=0.2：0.8：3，稱量前將原料置于180℃的烘箱中烘干24h，在水中混合后球磨3h，將球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，然后在740℃燒結(jié)6h；

（2）將步驟（1）中預(yù)燒的粉體用瑪瑙研缽研磨20min,加入占前驅(qū)體總質(zhì)量2%的聚乙烯醇，研磨40min使混合均勻，然后在100mpa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500℃排膠1h，在800℃高溫?zé)Y(jié)18h，隨爐冷卻后得到負(fù)熱膨脹陶瓷材料al1.6sc0.4mo3o12。

實(shí)施例2

（1）合成al1.62sc0.38mo3o12的原料為分析純sc2o3、al2o3和moo3粉末，稱量前將原料置于180℃的烘箱中烘干28h，按照計(jì)量比稱重sc2o3:al2o3:moo3=0.19：0.81：3，在水中混合后球磨5h，將球磨混合后原料在130℃烘箱中烘干，然后在710℃燒結(jié)8h；

（2）將步驟（1）中預(yù)燒的粉體用瑪瑙研缽研磨10min,加入占前驅(qū)體總質(zhì)量2.5%的聚乙烯醇，研磨30min使混合均勻，然后在125mpa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500℃排膠1.5h，在770℃高溫?zé)Y(jié)20h，隨爐冷卻后得到負(fù)熱膨脹陶瓷材料al1.62sc0.38mo3o12。

實(shí)施例3

（1）合成al1.54sc0.46mo3o12的原料為分析純sc2o3、al2o3和moo3粉末，稱量前將原料置于180℃的烘箱中烘干36h，按照計(jì)量比稱重sc2o3:al2o3:moo3=0.23：0.77：3，在水中混合后球磨6h，將球磨混合后原料在150℃烘箱中烘干，然后在730℃燒結(jié)7h；

（2）將步驟（1）中預(yù)燒的粉體用瑪瑙研缽研磨15min,加入占前驅(qū)體總質(zhì)量3%的聚乙烯醇，研磨20min使混合均勻，然后在150mpa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500℃排膠2h，在750℃高溫?zé)Y(jié)12h，隨爐冷卻后得到負(fù)熱膨脹陶瓷材料al1.54sc0.46mo3o12。

下圖1是制備al1.6sc0.4mo3o12陶瓷的xrd圖譜，從圖中可知制備的al1.6sc0.4mo3o12為斜方相，具有較高純度，不含雜質(zhì)峰。圖2是負(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12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(fù)熱膨脹材料al1.6sc0.4mo3o12的熱膨脹曲線，表明該材料具有良好的負(fù)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(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，其線性熱膨脹系數(shù)高達(dá)-2.19×10^-6/k。