CN104557037A - 一种新型近零膨胀陶瓷及其固相烧结合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机非金属材料领域，特别公开了一种新型近零膨胀陶瓷及其固相烧结合成方法。一种新型近零膨胀陶瓷，其分子式为：Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7或Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7。合成方法：以ZrO2、Fe2O3、MoO3和V2O5为原料，按目标产物中Zr、Fe、Mo与V的化学计量摩尔比称取原料，混合研磨均匀，直接或压片后烧结，自然冷却得目标产物；其中，烧结参数为：温度700-800℃、时间2~4h，压强为常压，气氛为空气。本发明的有益效果在于：1.本发明新型近零膨胀陶瓷在宽温区具有近零膨胀性质，具有工程应用价值。2.制备原料廉价，烧结过程简易；在常压空气中烧结700-800℃，烧结时间为2-4h，适合批量生产。

Description

一种新型近零膨胀陶瓷及其固相烧结合成方法
技术领域  
本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种新型近零膨胀陶瓷及其固相烧结合成方法。
背景技术  
绝大多数材料具有热胀冷缩性质，热胀冷缩和膨胀系数失配产生的热应力或热冲击常会导致材料或器件疲劳、性能下降、临时性或永久性失效、断裂和脱落甚至灾难性后果。由于热效应无时无处不在，是自然界中的一种普遍而棘手现象，对于精密器件和极端条件下的器件，通常必须采用外部恒定温度控制或非常复杂的结构设计来进行补偿，不仅增加系统的体积、重量和加工的复杂性，而且也使成本大幅增加。随着空间技术、高功率高精密激光技术、固体氧化物燃料电池等高新技术的发展，对材料和器件在极端条件下的性能提出了新的挑战。高性能、宽温区具有零膨胀和可控膨胀特性的材料的设计和制造是解决现代科学技术中许多难题的关键所在。近十余年来利用正、负热膨胀材料复合制备近零膨胀系数复合材料有很多。ZrW2O8在室温下为亚稳相材料，与其他材料复合时易发生分解；ZrV2O7在室温下为3×3×3的超晶胞结构，具有巨热膨胀系数，只有在373K以上才转变为1×1×1的正常结构，表现出负热膨胀；A2M3O12系列材料只有正交相才具有负热膨胀性质。这些都对近零膨胀材料的制备提出挑战。我们研究组最近报道了Cu掺杂ZrV1.6P0.4O7的近零膨胀性质（B. H. Yuan, H. L. Yuan, W. B. Song, X. S. Liu, Y. G. Cheng, M. J. Chao, E. J. Liang, High Solubility of Hetero-Valence Ion (Cu2+) for Reducing Phase Transition and Thermal Expansion of ZrV1.6P0.4O7,  Chin. Phys. Lett., 31(7), 076501, 2014），但发现在测量其膨胀系数时伴随有系数突变。
可见，自然界中绝大多数材料具有热胀冷缩性质，而具有负（或近零）膨胀性质的材料还非常有限，具有工程应用价值的性能优异的负/近零膨胀材料则更是少之又少。因此，研发一种低成本、适合规模化生产、性能优良的新型负/近零膨胀材料及其制备方法具有重要意义。
发明内容 
本发明的目的是一种新型近零膨胀陶瓷及其固相烧结合成方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种新型近零膨胀陶瓷，其分子式为：Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7 或Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7。
所述新型近零膨胀陶瓷的固相烧结合成方法：以ZrO2、Fe2O3、MoO3和V2O5为原料，按目标产物中化学计量摩尔比称取原料，混合研磨均匀，直接或压片后烧结，自然冷却得目标产物；其中，烧结参数为：温度700-800℃、时间2~4 h，压强为常压，气氛为空气。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明新型近零膨胀陶瓷，具有两种分子式，分别为Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7 和Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7，其在宽温区具有近零膨胀性质，具有工程应用价值。
2. 制备原料廉价，烧结过程简易；在常压空气中烧结700-800℃，烧结时间为2-4 h，适合批量生产。
附图说明  
图1为实施例1合成的Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7陶瓷 的XRD图谱 (700℃烧结4 h)。
图2 为实施例2合成的Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷的XRD图谱 (800℃烧结2 h)。
图3 为实施例1合成的Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7陶瓷的相对长度与测试温度的变化关系。
图4 为实施例2合成的Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷的相对长度与测试温度的变化关系。
具体实施方式   
实施例1--制备Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7陶瓷
以分析纯粉末试剂ZrO2、Fe2O3、MoO3和V2O5为原料，按目标产物Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7中化学计量摩尔比Zr:Fe:Mo:V=2:8:8:12称取各原料，混合研磨2 h。将粉末用单轴方向压片机，在300 MPa的压强下压制成直径10 mm、高10 mm的圆柱体。设置高温管式炉使其升温至烧结温度700℃，将装有样品的刚玉坩埚在烧结温度下放入管式炉，常压空气中烧结4 h，随后在空气中自然冷却。产品对应的XRD图谱物相分析见图1，与XRD图谱库对比，XRD图谱中没有出现原料的峰和杂质峰，表明制备的样品是纯相结构的Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7。
实施例2--制备Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷
    与实施例1不同之处在于：目标产物为Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7，相应地，按化学计量摩尔比Zr:Fe:Mo:V=1:9:9:11称取各原料；设置高温管式炉使其升温至烧结温度800℃，烧结时间为2 h。产品对应的XRD图谱物相分析见图2，与XRD图谱库对比，XRD图谱中没有出现原料的峰和可能的中间产物FeVMoO7等杂质峰，表明制备的样品是纯相结构的Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7。
线性热膨胀测试实验
实施例1制备的Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7陶瓷的相对长度随测试温度的变化曲线分析见图3，可以计算出20-400℃，Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7线性膨胀系数大约为1.8×10-6 ℃-1。
实施例2制备的Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷的相对长度随测试温度的变化曲线分析见图4，可以计算出20-100℃，Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7线性膨胀系数大约为-2.5×10-8 ℃-1，100-400℃，Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7线性膨胀系数大约为1.3×10-6 ℃-1。
由上述测试结果可知：本发明制备的Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7陶瓷或Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷的线性膨胀系数的绝对值均小于2.0×10-6℃-1，因此可以认为是近零膨胀材料，尤其是Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7陶瓷在20-100℃的线性膨胀系数为-2.5×10-8 ℃-1，基本上已经是零膨胀材料了。

Claims (2)

1.一种新型近零膨胀陶瓷，其特征在于其分子式为：Zr0.2Fe0.8V1.2Mo0.8O7 或Zr0.1Fe0.9V1.1Mo0.9O7。
2.如权利要求1所述新型近零膨胀陶瓷的固相烧结合成方法，其特征在于：以ZrO2、Fe2O3、MoO3和V2O5为原料，按目标产物中Zr、Fe、Mo与V的化学计量摩尔比称取原料，混合研磨均匀，直接或压片后烧结，自然冷却得目标产物；其中，烧结参数为：温度700-800℃、时间2~4 h，压强为常压，气氛为空气。
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