CN103449436A - 一种类钙钛矿结构负膨胀锰碳化合物制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC固体的制备方法，其主要包括以下步骤：按化学计量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1，称取锰粉、锡粉和石墨粉；在研钵中研磨1小时以上；将粉末压制成片状；装入石英管中，抽真空，密封；放入烧结炉，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温100小时，随炉冷却；把中间产物样品从石英管中取出，将之压碎；随后放入玛瑙研钵，研磨1小时以上；将粉末压制成片状；随后装入石英管中，抽真空，密封；放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温72小时，随炉冷却；把样品从石英管中取出，即得到所需类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC。

Description

一种类钙钛矿结构负膨胀锰碳化合物制备方法
技术领域
本发明属于负膨胀材料技术领域，具体涉及一种类钙钛矿结构负膨胀锰碳化合物的制备方法。
背景技术
通常固体材料均具有热胀冷缩的特性，然而在一些特殊使用情况下希望材料具有负膨胀或零膨胀的特殊物理性能，因此，负膨胀材料是当前材料科学研究的热点课题之一。所谓负膨胀性能，是指在某一温度范围内，随着温度的升高，材料的长度或体积减小。因为这类材料能够用于调节某些关键部件的膨胀系数，所以具有很高的研究与实际应用价值。随着科学技术的发展，具有此性质的材料将广泛用于精密机械和精密光学部件领域，如航空航天、IC芯片、微电子器件、封装材料、光信息传播器件、光纤通讯等领域。目前，已报道的此类材料存在难以克服的弱点，如ZrW2O8材料，不导电，制备成本高，机械强度低等，瓦合金存在各向异性，成本高，易氧化等问题，应用受到了限制。
类钙钛矿结构锰碳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Mn3XC(X为Sn，Zn，Ga，Zn，Ni等元素)。在晶体结构上，Mn原子位于立方晶胞的面心，C原子位于体心位置，X原子位顶角位置，因为钙钛矿化合物氧原子在面心位置，而体心是金属元素，所以人们又称此类物质为“反钙钛矿结构”。除了负热膨胀性能以外，此类材料在磁性、电输运和磁阻等方面也具有奇特的表现，尤其是其电阻率与半导体材料相近，对高精度仪器设备的开发具有重要意义。但是这类材料能否满足实际应用其关键还在于：负膨胀效应的温度范围是否足够宽，膨胀系数是否恒定。而这些都与制备方法有关，现有的制备方法不能提供负膨胀效应温度范围足够宽，膨胀系数恒定，纯度高的类钙钛矿结构负膨胀锰碳化合物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备类钙钛矿结构负热膨胀系数的锰碳化合物的方法，使得该材料在220-300K较宽温度范围内具有负热膨胀性能，且热膨胀系数为-1.002×10-5K-1，该材料电阻率为0.45mΩ·cm，接近半导体材料的最小电阻率范围。
为实现本发明的目的，采取以下技术方案：
一种类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC固体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学计量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1，称取锰粉、锡粉和石墨粉，粉末纯度均为99.9％或以上，粉末粒度均为300目；
(2)将三种粉末在研钵中研磨1小时以上，充分混合均匀；
(3)将混合均匀的粉末取适量，使用不锈钢模具和压片机将粉末压制成片状，压力为20Mpa；
(4)将压制成片状样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空度达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(5)将装有片状样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温100小时，然后随炉冷却；
(6)冷却后将石英管打碎，把中间产物样品从石英管中取出，用压力机将之压碎；
(7)将压碎的中间产物样品放入玛瑙研钵，研磨1小时以上，得到均匀细小的粉末，粒度分布在10-50μm；
(8)将研磨好的中间产物样品粉末使用压片机和不锈钢模具，在20MPa的压力下压成片；
(9)将步骤(8)中压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空度达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(10)将步骤(9)中装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温72小时，然后随炉冷却；
(11)冷却后将石英管打碎，把样品从石英管中取出，即得到所需类钙钛矿化合物Mn3SnC。
本发明具有如下优点：
(1)该方法制造出的Mn3SnC材料在220-300K较宽温度范围内具有负热膨胀性能，温区在室温附近，区间达到80K，热膨胀系数为-1.002×10-5K-1；
(2)该方法制造出的材Mn3SnC材料的负热膨胀性能是各向同性的，且结构稳定；
(3)该方法制造出的Mn3SnC材料电阻率为0.45mΩ·cm，接近半导体材料的最小电阻率范围；
(4)该方法制造出的Mn3SnC材料导热性能良好，导热系数为130W/(cm·K)；
(5)该方法的原料便宜，制备工艺简单，得到的Mn3SnC材料纯净度高，便于工业生产，且在制备与使用时都非常环保。
附图说明
图1为实施例1制备出的Mn3SnC晶胞常数随温度变化曲线；
图2为实施例1制备出的Mn3SnC的XRD图谱；
图3为实施例2制备出的Mn3SnC的XRD图谱。
具体实施方式
实施例一：
一种类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC固体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学计量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1，称取锰粉、锡粉和石墨粉，粉末纯度均为99.9％或以上，粉末粒度均为300目；
(2)将三种粉末在研钵中研磨1小时以上，充分混合均匀；
(3)将混合均匀的粉末取适量，使用不锈钢模具和压片机将粉末压制成片状，压力为20Mpa；
(4)将压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(5)将装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温100小时，然后随炉冷却。此时在真空石英管内发生如下化学反应：
3Mn+Sn+C→Mn3SnC
(6)冷却后将石英管打碎，把中间产物样品从石英管中取出，用压力机将之压碎；由于中间产物样品中掺杂着没能完全反应的粉末，为了获得纯净的Mn3SnC，需要将中间产物样品继续压碎烧结。
(7)将压碎的中间产物样品放入玛瑙研钵，研磨1小时以上，得到均匀细小的粉末，粒度分布在10-50μm，以便于反应物的接触，利于反应完全。
(8)将研磨好的中间产物粉末使用压片机和不锈钢模具，在20MPa的压力下压成片；
(9)将压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(10)将装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温72小时，然后随炉冷却。
(11)冷却后将石英管打碎，把样品从石英管中取出，即得到所需类钙钛矿化合物Mn3SnC；由图1可以看出本方法得到的Mn3SnC在220-300K较宽温度范围内具有负热膨胀性能；由图2XRD图谱可以看出制备所得Mn3SnC均匀纯净，无杂相。
实施例二：
一种类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC固体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学计量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1，称取一定量的锰粉、锡粉和石墨粉，粉末纯度均为99.9％或以，粉末粒度均为300目；
(2)将三种粉末在研钵中研磨1小时以上，充分混合均匀；
(3)将混合均匀的粉末取适量，使用不锈钢模具和压片机将粉末压制成片状，压力为20Mpa；
(4)将压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(5)将装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温100小时，然后随炉冷却；
(6)冷却后将石英管打碎，把中间产物样品从石英管中取出，用压力机将之压碎。
(7)将压碎的样品放入玛瑙研钵，研磨1小时以上，得到均匀细小的粉末，粒度分布在10-50μm；
(8)将研磨好的中间产物粉末使用压片机和模具，在20MPa的压力下压成片；
(9)将压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(10)将装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温48小时，然后随炉冷却。
(11)冷却后将石英管打碎，把样品从石英管中取出，即得到所需类钙钛矿化合物Mn3SnC；由图3XRD图谱可以看出该实施例制备出的Mn3SnC具有杂相，不能够得到均匀纯净的Mn3SnC化合物。

Claims (1)

1.一种类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC固体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学计量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1，称取锰粉、锡粉和石墨粉，粉末纯度均为99.9％或以上，粉末粒度均为300目；
(2)将三种粉末在研钵中研磨1小时以上，充分混合均匀；
(3)将混合均匀的粉末取适量，使用不锈钢模具和压片机将粉末压制成片状，压力为20Mpa；
(4)将压制成片状样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空度达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(5)将装有片状样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温100小时，然后随炉冷却；
(6)冷却后将石英管打碎，把中间产物样品从石英管中取出，用压力机将之压碎；
(7)将压碎的中间产物样品放入玛瑙研钵，研磨1小时以上，得到均匀细小的粉末，粒度分布在10-50μm；
(8)将研磨好的中间产物样品粉末使用压片机和不锈钢模具，在20MPa的压力下压成片；
(9)将步骤(8)中压制成片状的样品装入石英管中，然后将石英管接到分子泵上，抽真空，当真空度达到10-4Pa时，使用氧炔焰熔化石英管进行密封；
(10)将步骤(9)中装有样品的真空石英管放入烧结炉内，以每分钟10℃的速度升温到800℃，并在此温度保温72小时，然后随炉冷却；
(11)冷却后将石英管打碎，把样品从石英管中取出，即得到所需类钙钛矿结构负膨胀Mn3SnC。
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