CN101734730A - 具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料 - Google Patents
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Abstract
一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料,该材料在220K<T<342K温区内具有近零热膨胀效应,并且在342K<T<363K具有负热膨胀特性,其分子式为Mn3Zn0.7Sn0.3N,由Mn,Zn,Sn,N三种元素组成,其原子配比为Mn∶Zn∶Sn∶N=30∶7∶3∶10,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,合成Mn2N;(2)按照摩尔比Mn2N∶Zn∶Sn=15∶7∶3,称取Mn2N、Zn粉和Sn粉,混合均匀,研磨1小时;(3)将粉末压成片状;(4)将其装入石英管中并同时抽真空至10-5Pa,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,即可得到Mn3Zn0.7Sn0.3N。
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”金属间化合物材料,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”金属间化合物材料,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”金属间化合物材料,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Mn3Zn0.7Sn0.3N,由Mn,Zn,Sn,N三种元素组成,其原子配比为Mn∶Zn∶Sn∶N=30∶7∶3∶10,其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
本发明中的锰锌锡氮四元化合物(Mn3Zn0.7Sn0.3N),在250K<T<342K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92K左右。
本发明中的Mn3Zn0.7Sn0.3N化合物,在342K<T<363K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”金属间化合物材料的制备方法,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”金属间化合物材料的制备方法,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,合成氮化锰(Mn2N);
(2)按照摩尔比Mn2N∶Zn∶Sn=15∶7∶3的比例,称取Mn2N,Zn粉和Sn粉,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Mn3Zn0.7Sn0.3N。
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”金属间化合物材料,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Mn3Zn0.7Sn0.3N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”金属间化合物材料,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Mn3Zn0.7Sn0.3N,由Mn,Zn,Sn,N三种元素组成,其原子配比为Mn∶Zn∶Sn∶N=30∶7∶3∶10,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”金属间化合物材料的制备方法,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”金属间化合物材料的制备方法,它包括以下步骤:
(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∶Zn∶Sn=15∶7∶3的比例,称取一定量的氮化锰,锌粉和锡粉,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Mn3Zn0.7Sn0.3N。
Claims (2)
1.一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料,其特征在于:该材料在220K<T<342K温区内具有近零热膨胀效应,并且在342K<T<363K具有负热膨胀特性,其分子式为Mn3Zn0.7Sn0.3N,由Mn,Zn,Sn,N三种元素组成,其原子配比为Mn∶Zn∶Sn∶N=30∶7∶3∶10,其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料的制备方法,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∶Zn∶Sn=15∶7∶3的比例,称取Mn2N、Zn粉和Sn粉,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Mn3Zn0.7Sn0.3N。
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