CN101734722A - 一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，该材料在298K＜T＜348K温区内具有近零热膨胀效应，在348K＜T＜361K具有负热膨胀特性，其分子式为Mn3GaN，由Mn，Ga，N三种元素组成，其原子配比为Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶体结构为反钙钛矿立方结构；其制备方法是：(1)称取预定量的锰粉放入管式氮化炉中，在高纯氮气氛下，从室温升至300℃；再以10℃/分钟的速率升温至750℃，保温50小时；关闭电源，合成Mn2N；(2)按照摩尔比Mn2N∶GaN＝3∶2，称取Mn2N和GaN，将其混合均匀，研磨1小时；(3)将粉末压成片状；(4)将片状样品装入石英管中并同时抽真空至10-5Pa，然后封闭石英管；(5)将石英管放进高温炉中，升温至800℃，保温72小时，关闭电源，冷却至室温，即得到Mn3GaN。
Description
(一)技术领域：
本发明提供一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，特别涉及一种在室温附近具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料，该类材料各向同性，导热导电，机械强度高，因此在航空航天，建筑材料，光学元件，微电子器件，光纤通讯等领域具有很高的应用前景，属于无机材料技术领域。
(二)背景技术：
近零或零膨胀是当前材料科学研究的热点之一，随着温度的变化这类材料的体积不发生变化或者变化很微小，具有很高的研究与实际应用价值。近零或零膨胀材料由于热膨胀受温度影响小，具有显著的耐热冲击性能。随着科技的发展，将广泛用于精密机械和精密光学部件领域，如航空航天、建筑材料、封装材料、计算机芯片、微电子器件，光信息传播器件、光纤通讯等领域。目前，已报道的大部分此类材料是通过组合正负热膨胀材料复合得到，如：ZrW2O8基复合材料。然而这类材料有其自身的弱点，如制造工艺复杂，成本高，机械强度低等。尽管也有一些关于零膨胀合金材料的报道，如因瓦合金类，但由于存在各向异性，成本高，温度范围不合适，易氧化等问题，应用具有一定的局限性。
反钙钛矿结构锰氮化合物是一种新型的具有奇异热膨胀性能的材料，其分子式为Mn3XN{X为镓(Ga)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)或锡(Sn)等}。该晶体结构中，Mn原子位于立方晶胞的面心，X原子位于顶角位置，N原子位于体心位置，因此人们又称其为“反钙钛矿结构”。依赖于温度变化，该类化合物的磁输运、电输运，热膨胀行为会发生奇特的变化，已引起学术界和工业界的广泛关注。
通过对该类材料的研究，我们发现部分反钙钛矿结构材料，随着温度的升高，在某一温区，其晶胞常数随温度变化很小或几乎不变，显示近零或零膨胀效应。这类零膨胀材料由单一物质构成，易于制备，性能也较稳定，对高精度仪器设备的开发具有重要意义。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，它不仅具有近零膨胀特性，且同时具有负热膨胀特性。该材料可用于航空航天，建筑材料，光学元件，微电子器件，光纤通讯等领域。
本发明一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料，其分子式为Mn3GaN，由Mn，Ga，N三种元素组成，其原子配比为Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
本发明中的锰镓氮三元化合物(Mn3GaN)，在298K＜T＜348K温区内，其晶胞常数随温度的增加几乎保持不变，显示为近零膨胀效应，如图1所示。
本发明发现的近零膨胀行为属各向同性，温区在室温上下，区间达到50K以上。
本发明中的Mn3GaN化合物，在348K＜T＜361K温区内，具有明显的大的晶格收缩现象，即负热膨胀效应，如图1所示。
本发明一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料的制备方法，特别是同时具有近零热膨胀和负热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按预定计划的要求称取预定量的锰粉(纯度为99.9％)，然后将其放入管式氮化炉中，在纯度为99.99％的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以5℃/分钟的速率从室温升至300℃；再以10℃/分钟的速率升温至750℃，保温50小时；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锰(Mn2N)；
(2)按照摩尔比Mn2N∶GaN＝3∶2的比例，称取一定量的Mn2N和GaN，将其在玛瑙研钵中混合均匀，研磨1小时以上；
(3)使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状；
(4)将压制成片状的样品装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统，抽真空至10-5Pa，然后封闭石英管；
(5)将封闭好的石英管放进高温炉中，以每分钟10℃的速率升温至800℃，在此温度下保温72小时，关闭电源，随炉冷却至室温；
(6)将石英管敲碎，取出样品，即可得到目标产物Mn3GaN。
本发明具有如下优点：
本发明一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，它实现了在单一物质中获得近零膨胀，不需要通过正负热膨胀材料复合。该类材料的近零或零和负热膨胀性能是各向同性的，结构很稳定，即使反复升降温，也不易产生缺陷和变形；这种材料还表现出了高导电性和高导热性等金属特性；具有与铁和铝等金属材料匹敌的机械强度；主要原料不仅价格便宜，而且具有良好环保性。
(四)附图说明：
图1为Mn3GaN晶胞常数随温度变化曲线。
(五)具体实施方式：
本发明一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料，其分子式为Mn3GaN，由Mn，Ga，N三种元素组成，其原子配比为Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
本发明一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料的制备方法，特别是同时具有近零热膨胀和负热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取一定量的锰粉(纯度为99.9％)，然后将其放入管式氮化炉中，在纯度为99.99％的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以5℃/分钟的速率从室温升至300℃；再以10℃/分钟的速率升温至750℃，保温50小时；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锰(Mn2N)；
(2)按照摩尔比Mn2N∶GaN＝3∶2的比例，称取一定量的氮化锰和氮化镓，总量在10g左右，将其在玛瑙研钵中混合均匀，研磨1小时以上；
(3)使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状；
(4)将压制成片状的样品装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统，抽真空至10-5Pa，然后封闭石英管；
(5)将封闭好的石英管放进高温炉中，以每分钟10℃的速率升温至800℃，在此温度下保温72小时，关闭电源，随炉冷却至室温；
(6)将石英管敲碎，取出样品，即可得到目标产物Mn3GaN。
Claims (2)
1.一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料，其特征在于：该材料在298K＜T＜348K温区内具有近零热膨胀效应，并且在348K＜T＜361K具有负热膨胀特性，其分子式为Mn3GaN，由Mn，Ga，N三种元素组成，其原子配比为Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
2.根据权利要求1所述的具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”固体材料的制备方法，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物固体材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)按预定计划的要求称取纯度为99.9％的锰粉，然后将其放入管式氮化炉中，在纯度为99.99％的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以5℃/分钟的速率从室温升至300℃；再以10℃/分钟的速率升温至750℃，保温50小时；关闭电源，随炉冷却，合成Mn2N；
(2)按照摩尔比Mn2N∶GaN＝3∶2的比例，称取Mn2N和GaN，将其在玛瑙研钵中混合均匀，研磨1小时以上；
(3)使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状；
(4)将压制成片状的样品装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统，抽真空至10-5Pa，然后封闭石英管；
(5)将封闭好的石英管放进高温炉中，以每分钟10℃的速率升温至800℃，在此温度下保温72小时，关闭电源，随炉冷却至室温；
(6)将石英管敲碎，取出样品，即可得到目标产物Mn3GaN。
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2009
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