及其燒結(jié)合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機非金屬材料領(lǐng)域，特別涉及了一種新型負熱膨脹陶瓷Zr2W2P2015&其燒結(jié)合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕大多數(shù)材料具有熱脹冷縮性質(zhì)，熱脹冷縮和膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的熱應力或熱沖擊常會導致材料或器件疲勞、性能下降、臨時性或永久性失效、斷裂和脫落，由此造成材料和器件的大量浪費甚至災難性后果，如保證高功率激光穩(wěn)定工作的冷卻系統(tǒng)、大型望遠鏡系統(tǒng)補償溫度引起焦距變化的復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計、光通信系統(tǒng)防止布拉格光纖光柵中心波長漂移的恒溫系統(tǒng)、航天器載儀器的恒溫系統(tǒng)、航天飛機返回大氣層時劇烈熱沖擊使隔熱瓦脫落引發(fā)的災難等。由于熱效應無時無處不在，是自然界中的一種普遍而棘手現(xiàn)象，對于精密器件和極端條件下的器件，通常必須采用外部恒定的溫度控制或非常復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來進行補償，不僅增加系統(tǒng)的體積、重量和加工的復雜性，同時也使成本增加。隨著空間技術(shù)、高功率高精密激光技術(shù)、固體氧化物燃料電池等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料和器件在極端條件下的性能提出了新的挑戰(zhàn)。高性能、寬溫區(qū)具有零膨脹和可控膨脹特性的材料是設(shè)計和制造零膨脹和可控膨脹的功能-結(jié)構(gòu)一體化器件、解決現(xiàn)代科學技術(shù)中許多難題的關(guān)鍵所在。而寬溫區(qū)的性能優(yōu)異的負熱膨脹材料是設(shè)計和制備零膨脹和膨脹系數(shù)可控材料的關(guān)鍵，因此負熱膨脹材料受到越來越多的關(guān)注。近十余年來發(fā)現(xiàn)的負熱膨脹有ZrW20s、ZrV207、Α2Μ3012 (A=3 價過渡金屬或稀土 ；M=W 或 Mo)、ScF3、Zr2ff P2012、HfMgW3012等。ZrW 20s在室溫下為亞穩(wěn)相材料，與其他材料復合時易發(fā)生分解；ZrV207在室溫下為3X3X3的超晶胞結(jié)構(gòu)，只有在102°C以上才轉(zhuǎn)變?yōu)?X1X1的正常結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出負熱膨脹；Α2Μ3012系列材料只有正交相才具有負熱膨脹性質(zhì)。一般來說，當A3+離子半徑較小(如A=A1, Fe, Cr, In)時，室溫下結(jié)晶為單斜相，只有在高溫下才轉(zhuǎn)化為正交結(jié)構(gòu)；當A3+離子半徑較大(A=Lu，Yb,Y)時，室溫下雖然是正交結(jié)構(gòu)，但是具有較強的吸水性，只有隨著溫度升高完全失去結(jié)晶水后，才表現(xiàn)出負熱膨脹特性。結(jié)晶水的吸附與釋放同時引起材料的巨大收縮和膨脹，使其力學性能變差，制約其應用(Ε.J.Liang, Negative thermal expans1n materialsand their applicat1ns: a survey of recent patents, Rec.Pat.Mater.Sc1.3(2010) 106-28)。Zr2WP2012具有穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，其負熱膨脹系數(shù)從室溫到1373 K都保持在-2.3X10 6 K1，適合制備穩(wěn)定的可控膨脹系數(shù)復合材料。我們研究組報道了提高Zr2WP2012致密度的制備方法(R.Shang，Q.L.Hu，X.S.Liu, E.J.Liang, B.Yuan,M.J.Chao， Effect of MgO and PVA on the Synthesis and Properties of NegativeThermal Expans1n Ceramics of Zr2(W04) (P04)2，Int.J.Appl.Ceram.Technol.10(5)，849-856，2013)。最近我們研究組報道了控制反應路徑快速制備Zr2P2W012的方法(X.S.Liu, J.Q.wang, C.Z.Fan, R.Shang, F.C.Cheng, B.H.Yuan, ff.B.Song, Y.G.Chen, E.J.Liang, M.J.Chao, Control of React1n Pathways forRapid Synthesis of Negative Thermal Expans1n Ceramic Zr2P2W012 with UniformMicrostructure, Int.J.Appl.Ceram.Technol.D01:10.1111/ijac.12201, 2013)。
[0003]可見，自然界中絕大多數(shù)材料具有熱脹冷縮性質(zhì)，而具有相反性質(zhì)的材料，即負熱膨脹材料還非常有限，具有工程應用價值的性能優(yōu)異的負熱膨脹材料則更少之又少。因此，研發(fā)一種低成本、適合規(guī)?；a(chǎn)、性能優(yōu)良的新型負膨脹材料及其制備方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新型負熱膨脹陶瓷及其燒結(jié)合成方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
一種新型負熱膨脹陶瓷，其分子式為:Zr2W2P2015。
[0006]所述新型負熱膨脹陶瓷的燒結(jié)合成方法:以Zr02、評03和NH4H2P0#原料，按目標產(chǎn)物Zr2W2P2015* Zr:W:P的化學計量摩爾比稱取原料，混合研磨均勻，直接或壓片后首次燒結(jié)5-30min，取出放入室溫水中淬火，再研磨均勻，直接或壓片后重新燒結(jié)2-5 h即可得到目標產(chǎn)物；其中，首次燒結(jié)和重新燒結(jié)均在常壓空氣中于1350-1450°C燒結(jié)。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于:
1.本發(fā)明提供一種新型負熱膨脹陶瓷Zr2W2P2015及其燒結(jié)合成方法，其在寬溫區(qū)具有負熱膨脹性質(zhì)，具有工程應用價值。
[0008]2.制備原料廉價，燒結(jié)過程簡易；在常壓空氣中燒結(jié)1350_1450°C，燒結(jié)時間為2-5 h，適合批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0009]圖1為實施例1制備的陶瓷XRD圖譜(1400°C燒結(jié)3 h)。
[0010]圖2為實施例1 (1400°C )和實施例2 (1420°C )制備的陶瓷2巧1#2015在30-600°C溫區(qū)內(nèi)的相對長度隨溫度的變化曲線。
[0011]圖3為實施例1(1400°C)和實施例2(1420°C)制備的陶瓷溫區(qū)內(nèi)的相對長度隨溫度的變化曲線。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
將分析純原料Zr02、W0#P NH4H2P0j$摩爾比Zr:W:P=l: 1:1稱取，放到研缽內(nèi)研磨2 h左右。將粉末用單軸方向壓片機在300 MPa的壓強下壓制成直徑10 mm、高10 mm的圓柱體樣品。設(shè)置高溫管式爐使其升溫至燒結(jié)溫度1400°C，將裝有樣品的剛玉坩禍在燒結(jié)溫度下放入管式爐，常壓空氣中首次燒結(jié)10 min，取出放入室溫水中淬火、研磨，再次在300 MPa的壓強下壓制成直徑10 mm、高10 mm的圓柱體，再次裝入剛玉坩禍之后放入管式爐，常壓空氣中1400°C重新燒結(jié)3 h即可得到目標產(chǎn)物。產(chǎn)品對應的XRD圖譜物相分析見圖1，與XRD圖譜庫對比，XRD圖譜中沒有出現(xiàn)原料的峰和雜質(zhì)峰，表明制備的產(chǎn)品是純相的Zr2W2P2015。
[0013]實施例2
實施例2與實施例1的實施過程基本相同，其不同之處在于首次燒結(jié)和重新燒結(jié)溫度均調(diào)整為1420°C。產(chǎn)品對應的XRD圖譜物相分析與圖1相同，表明制備的產(chǎn)品是純相的Zr2W2P2015O
[0014]線性熱膨脹測試實驗(用熱膨脹儀測算)
實施例1 (1400°c )和實施例2 (1420°C )制備的陶瓷Zr2W2P2015i 30_600°C溫區(qū)內(nèi)的相對長度隨溫度的變化曲線見圖2，在-135-400°C溫區(qū)內(nèi)的相對長度隨溫度的變化曲線見圖3。
[0015]從圖2和圖3可以計算出:實施例1制備的陶瓷2^#2015從-120°(:到400°(:的線膨脹系數(shù)為-3.25X 10 6oC、30。。到600°C的線膨脹系數(shù)為-2.36X 10 6°C S實施例2制備的陶瓷Zr2W2P2015U -120°C到400°C的線膨脹系數(shù)為-4.09X 10 6°C到600°C的線膨脹系數(shù)為-3.17X10 6°C、
【主權(quán)項】
1.一種新型負熱膨脹陶瓷，其特征在于其分子式為:Zr 2W2P2015。2.如權(quán)利要求1所述新型負熱膨脹陶瓷的燒結(jié)合成方法，其特征在于:以ZrO2、W03和NH4H2P04S原料，按目標產(chǎn)物Zr ##2015中Zr:W:P的化學計量摩爾比稱取原料，混合研磨均勻，直接或壓片后首次燒結(jié)5-30min，取出放入室溫水中淬火，再研磨均勻，直接或壓片后重新燒結(jié)2-5 h即可得到目標產(chǎn)物；其中，首次燒結(jié)和重新燒結(jié)均在常壓空氣中于1350-1450°C 燒結(jié)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于無機非金屬材料領(lǐng)域，特別公開了一種新型負熱膨脹陶瓷及其燒結(jié)合成方法。其分子式為：Zr2W2P2O15。以ZrO2、WO3和NH4H2PO4為原料，按目標產(chǎn)物Zr2W2P2O15中Zr:W:P的化學計量摩爾比稱取原料，混合研磨均勻，直接或壓片后首次燒結(jié)5-30min，取出放入室溫水中淬火，再研磨均勻，直接或壓片后重新燒結(jié)2-5h即可得到目標產(chǎn)物；其中，首次燒結(jié)和重新燒結(jié)均在常壓空氣中于1350-1450℃燒結(jié)。本發(fā)明的有益效果在于：1.本發(fā)明新型負熱膨脹陶瓷在寬溫區(qū)具有負熱膨脹性質(zhì)，具有工程應用價值。2.制備原料廉價，燒結(jié)過程簡易；在常壓空氣中燒結(jié)1350-1450℃，燒結(jié)時間為2-5h，適合批量生產(chǎn)。
【IPC分類】C04B35/447, C04B35/622, C04B35/495
【公開號】CN105272199
【申請?zhí)枴緾N201510216407
【發(fā)明人】梁二軍, 袁保合, 程永光, 葛向紅, 陳冬霞, 晁明舉
【申請人】鄭州大學
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年4月30日