CN104446471B - 一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可控膨胀系数材料领域，尤其涉及一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料及其制备方法，其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料包括ZrW2O8和ZrSiO4，其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10%至90%。为制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法为：先称取相应体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中，再加入乙醇，并在室温下反复进行研磨、超声分散、搅拌过程三次，再将ZrW2O8和ZrSiO4的混合粉末料依次进行干燥、细研磨、压片、烧结，最后获得复合材料的样品。本发明能获得组成稳定的ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料；且采用传统固相工艺制备ZrW2O8/ZrSiO4复合材料，工艺成熟简单。

Description

一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及可控膨胀系数材料领域，尤其涉及ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料及其制备方法。
背景技术
热膨胀的问题在很多领域都是一个不利的因素，它是普遍存在于精密器件、光纤、电路板、传感器和燃料电池等功能和结构材料中一个急需解决的弊端。负膨胀（NTE）材料的发现使得该问题的解决有了可能，基于这一点引起了许多科研学者的很大兴趣。从20世纪90年代，ZrW2O8独特的结构和负膨胀性能被揭示以来，材料界掀起了一股负膨胀材料的研究热，并迅速发展成一个专门的科学研究领域。在众多的负膨胀材料中，各向同性负膨胀材料有一个优势是作为复合材料的填料颗粒在取向上不影响膨胀。因此，在解决热膨胀的问题中，使得各向同性的负膨胀材料从中脱颖而出并成为制备复合材料研究的首选，尤其是可控膨胀系数复合材料的制备上；可控热膨胀系数的复合材料的应用前景非常广泛，除了电子材料外，还可以应用到高精密仪器配件、光学器件、集成电路、航天器等。因此，合成开发新型的和改良设计的可控热膨胀系数的复合材料是有必要的。在各向同性的负膨胀材料中，钨酸锆陶瓷材料是一种比较理想的负膨胀材料。
负膨胀（NTE）材料在理论上可用于减少或抵消任何其他正热膨胀的材料，这可以通过制备可控热膨胀系数的复合材料来实现；然后现有的可控膨胀系数复合材料及其制备方法中，ZrW2O8和其它材料之间的界面结合比较差，由于混合不均匀，ZrW2O8颗粒不能完全分散，导致界面上存在有较多的孔隙和裂缝；且ZrW2O8性质不稳定，容易和其它许多材料之间发生化学反应，生成正膨胀材料，失去调控膨胀系数的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料，其可以克服现有的可控膨胀系数复合材料及其制备方法中，ZrW2O8和其它材料之间的界面结合比较差，由于混合不均匀，ZrW2O8颗粒不能完全分散，导致界面上存在有较多的孔隙和裂缝；且ZrW2O8性质不稳定，容易和其它许多材料之间发生化学反应，生成正膨胀材料，失去调控膨胀系数的缺陷。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料，其中包括ZrW2O8，其特征在于，ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中还包括ZrSiO4。
作为优化,可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10%至90%。
本发明的提供的ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的制备方法包括下列步骤：
（1）根据相应的体积百分比含量计算复合材料中各个体系的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末的用量；
（2）称取相应体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中，并每100g粉末总量加200mL乙醇的量加入乙醇，采用600rpm的搅拌速度，在室温下搅拌20分钟后取出，置于研钵中研磨20分钟，再转入容器中进行超声分散20分钟，然后再次搅拌20分钟，并根据以上方式反复进行研磨、超声分散、搅拌过程三次，共计三个小时；
（3）将ZrW2O8和ZrSiO4的混合粉末料浆移到容器中，置于恒温油浴锅中，采用600rpm的搅拌速度，在80°C温度下搅拌回流4小时；
（4）采用旋转蒸发器将混合溶液中的乙醇旋干，将获得的粉末浆产物置于120°C温度下的干燥箱中，干燥12小时；
（5）将经干燥后的产物从容器中取出，置于玛瑙研钵中研磨1小时，获得较细的固体粉末；
（6）用电子分析天平称取固体粉末加入不锈钢模具中，采用150MPa的单轴压力，缓慢加压的方式，成型过程中须保压30分钟，最终压制成型，得圆柱形样品；
（7）将成型后的样品放入铂金坩埚中，同时将铂金坩埚放入一个较大的带有盖子的氧化铝坩埚里，然后置于高温电阻炉中进行烧结，最后获得复合材料的样品。
作为优化，步骤（7）中，将成型后的样品进行烧结时，烧结温度为1200°C，烧结时间为8小时。
本发明的有益效果是：通过反复的搅拌、超声分散、研磨和加热搅拌回流操作，使复合材料中ZrW2O8和ZrSiO4两者完全分散，均匀混合；ZrW2O8和ZrSiO4两者之间不会发生化学反应，能获得组成稳定的ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料；且采用传统固相工艺制备ZrW2O8/ZrSiO4复合材料，工艺成熟简单。
附图说明
图1为本发明ZrW2O8/ZrSiO4复合材料中配方和膨胀系数的关系图。
图2为本发明技术路线图。
具体实施方式
实施例1：
一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料，其中包括ZrW2O8和ZrSiO4，其可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10%。
制备上述ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法包括下列步骤：
（1）根据复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10%的体积百分比含量计算复合材料中各个体系的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末的用量；
（2）称取复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10%的体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末25g加入到容器中，并加入50mL的乙醇，采用600rpm的搅拌速度，在室温下搅拌20分钟后取出，置于研钵中研磨20分钟，再转入容器中进行超声分散20分钟，然后再次搅拌20分钟，并根据以上方式反复进行研磨、超声分散、搅拌过程三次，共计三个小时；
（3）将ZrW2O8和ZrSiO4的混合粉末料浆移到容器中，置于恒温油浴锅中，采用600rpm的搅拌速度，在80°C温度下搅拌回流4小时；
（4）采用旋转蒸发器将混合溶液中的乙醇旋干，将获得的粉末浆产物置于120°C温度下的电热鼓风干燥箱中，干燥12小时；
（5）将经干燥后的产物从容器中取出，置于玛瑙研钵中研磨1小时，获得较细的固体粉末；
（6）用电子分析天平称取固体粉末1.25g加入不锈钢模具中，采用150MPa的单轴压力，缓慢加压的方式，成型过程中须保压30分钟，最终压制成型为10mm直径的圆柱形样品；
（7）将成型后的样品放入铂金坩埚中，同时将铂金坩埚放入一个较大的带有盖子的氧化铝坩埚里，然后置于高温电阻炉中进行烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为8小时，最后获得复合材料的样品。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为25%。
其制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法中，称取复合材料中的ZrW2O8的体积分数为25%的体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为50%。
其制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法中，称取复合材料中的ZrW2O8的体积分数为50%的体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中。
实施例4：
与实施例1不同之处在于：其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为75%。
其制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法中，称取复合材料中的ZrW2O8的体积分数为75%的体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中。
实施例5：
与实施例1不同之处在于：其ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料中的ZrW2O8的体积分数为90%。
其制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法中，称取复合材料中的ZrW2O8的体积分数为90%的体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中。
以上五种实施方式所得ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料，其经试验所得的ZrW2O8/ZrSiO4复合材料中配方体积百分比和膨胀系数的关系为：当ZrW2O8体积分数为90%、75%、50%、25%和10%时，其热膨胀系数分别为-7.013ppm/K，-4.193ppm/K，-0.613ppm/K、3.814ppm/K和3.874ppm/K。当ZrW2O8体积分数≥25%时，复合材料的膨胀系数（α）与ZrW2O8体积分数（V）有如下线性关系：α=-0.1642V+7.92。

Claims (2)

1.一种ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的制备方法，包括下列步骤：
（1）根据复合材料中的ZrW2O8的体积分数为10-90%的体积百分比含量计算复合材料中各个体系的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末的用量；
（2）称取相应体积百分比含量的ZrW2O8粉末和ZrSiO4粉末加入到容器中，并每100g粉末总量加200mL乙醇的量加入乙醇，采用600rpm的搅拌速度，在室温下搅拌20分钟后取出，置于研钵中研磨20分钟，再转入容器中进行超声分散20分钟，然后再次搅拌20分钟，并根据以上方式反复进行研磨、超声分散、搅拌过程三次，共计三个小时；
（3）将ZrW2O8和ZrSiO4的混合粉末料浆移到容器中，置于恒温油浴锅中，采用600rpm的搅拌速度，在80°C温度下搅拌回流4小时；
（4）将混合溶液中的乙醇旋干，再将获得的粉末浆产物置于120°C温度下的干燥箱中，干燥12小时；
（5）将经干燥后的产物从容器中取出，置于玛瑙研钵中研磨1小时，获得较细的固体粉末；
（6）称取固体粉末加入不锈钢模具中，采用150MPa的单轴压力，缓慢加压的方式，成型过程中保压30分钟，最终压制成型，得圆柱形样品；
（7）将成型后的样品放入铂金坩埚中，同时将铂金坩埚放入带含盖体的氧化铝坩埚内，置于高温电阻炉中进行烧结，最后获得复合材料的样品。
2.根据权利要求1所述的制备ZrW2O8/ZrSiO4可控膨胀系数复合材料的方法,其成型后的样品进行烧结时，烧结温度为1200°C，烧结时间为8小时。
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