CN105254297A - 一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法 - Google Patents

一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法 Download PDF

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张志萍
杨露
马健
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Abstract

本发明公开了一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法。其中1≤x≤1.2。属于无机非金属负热膨胀功能材料领域，该负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷材料以Sc2O3、In2O3和WO3为原料，采用固相法制备，按照一定的摩尔比通过对原料氧化物称量、球磨、成型和在950-1200℃烧结，制备得到的负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12陶瓷结构致密，在室温到其熔点温度范围内具有稳定的负热膨胀性能。例如ScInW3O12陶瓷在室温到700℃的温度范围内，其线热膨胀系数为-5.97×10-6/K，热膨胀曲线近乎线性，无相变发生，热膨胀性能稳定，具有较好的负热膨胀性能，同时本发明所提供的制备负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12的制备方法较为简单，制备周期短、成本低、环保无污染，因而具有较好的应用前景。

Description

一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法
技术领域
本发明属于负热膨胀无机功能材料领域，具体涉及一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法。
背景技术
随着温度的变化体积发生“热缩冷胀”的材料称为负热膨胀材料。近些年来随着微电子、光学和微机械等领域的器件微型化和航空航天技术的发展，材料的精确尺寸对器件的功能至关重要。而热膨胀系数不匹配产生的热应力常是器件疲劳、性能下降、失效甚至断裂和脱落的主要原因。器件尺寸往往会因工作环境温度的变化而发生变化，导致器件的性能不稳定甚至失效。负热膨胀材料的发现为解决这类问题提供了可能，可以通过将具有负热膨胀系数与正热膨胀系数的材料进行复合，以期制备各种可控热膨胀乃至零膨胀的复合材料。
负热膨胀材料主要有以下三个系列：AM2O7系列(A＝Zr,Hf；M＝V,P)；AM2O8系列(A＝Zr,Hf；M＝W,Mo)；A2M3O12系列(A＝Sc,Yb,In,Y,等；M＝W,Mo)。虽然经过多年的研究与探索，发现了一些新的负热膨胀材料，但其负热膨胀性能都存在一定的不足。比如AM2O8系列负热膨胀材料在其负热膨胀相应温度范围内存在相变，会导致其热膨胀性能的突变；AM2O7系列的负热膨胀材料的负热膨胀在102℃以上才表现为负热膨胀。第三系列的A2M3O12负热膨胀成员众多，负热膨胀各不相同。其中Sc2W3O12是该系列中负热膨胀性能最为优异的种化合物，其在-10℃至950℃的温度范围内负热膨胀系数高达-5.82×10-6K-1。但是其原料稀土氧化物Sc2O3的价格非常高，从而导致该种负热膨胀的合成成本较高，难以投入实际应用，因此探寻一种价格低，负热膨胀性能优异的新型负热膨胀材料具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有稳定负热膨胀性能、合成成本低、制备工艺简单的新型负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法，其中1≤x≤1.2。
上述一种负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，包括如下步骤：
(1)合成ScxIn2-xW3O12的原料为分析纯Sc2O3、In2O3和WO3粉末，按照计量比称重Sc2O3、In2O3和WO3，在酒精中混合后球磨12-24h，将球磨混合后原料在60～100℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5～1h。
(2)在步骤(1)中球磨均匀的物料中加入占总质量2～5％的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在50-150MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，在500℃排胶0.5～1h，在950～1150℃高温烧结12～24h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12陶瓷；
上述一种负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷的制备方法中，步骤(1)中，原料Sc2O3、In2O3和WO3的摩尔比为x:2-x:3,1≤x≤1.2。
上述一种负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷的制备方法，步骤(1)中球磨时原料Sc2O3、In2O3和WO3的质量和：玛瑙球：酒精的质量比为1:3:1.5。
上述一种负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷的制备方法中，步骤(2)中冷等静压成型过正中，分三阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/3和2/3大小处保压3min。
上述一种负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷的制备方法中，步骤(3)中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为5℃/min。
采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜进行物相结构进行分析；采用扫描电子显微镜(SEM)观察制备陶瓷样品的断面形貌；采用热机械分析仪(TMA)对陶瓷样品进行负热膨胀性能表征。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：以原料Sc2O3、In2O3和WO3的摩尔比为1:1:3为例，对本发明制备的负热膨胀材料ScInW3O12具体性能进行检测分析可以发现：制备样品为斜方相ScInW3O12陶瓷，不含杂质峰，陶瓷结构致密，且该材料具有良好的负热膨胀性能，其热膨胀曲线其在室温到700℃的温度范围内近乎为直线，说明其热膨胀性能稳定。在测试温度区间内，其线性热膨胀系数高达-7.13×10-6K-1。而且制备工艺简单，烧结温度低，成本低、环保无污染，具有广泛的应用价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明负热膨胀材料ScInW3O12的XRD图谱。
图2为本发明负热膨胀材料ScInW3O12的SEM图谱。
图3为本发明负热膨胀材料ScInW3O12的热膨胀曲线。
具体实施方式
本实验所用原料为：Sc2O3(分析纯)、In2O3(分析纯)和WO3(分析纯)。
固相法制备负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12，其中1≤x≤1.2，下面结合实例对本发明作进一步的描述。
实施例1
(1)合成负热膨胀材料ScInW3O12，以分析纯Sc2O3、In2O3和WO3粉末为原料，按照摩尔比为Sc2O3：In2O3：WO3＝1：1：3称取原料，在酒精中混合后球磨12h，将球磨混合后原料在60℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5h。
(2)在步骤(1)中球磨均匀的物料中加入占总质量2％的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在50MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，在500℃排胶0.5h，在950℃高温烧结24h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料ScInW3O12陶瓷。
实施例2
(1)合成负热膨胀材料Sc1.1In0.9W3O12，以分析纯Sc2O3、In2O3和WO3粉末为原料，按照摩尔比为Sc2O3：In2O3：WO3＝1.1：0.9：3称取原料，在酒精中混合后球磨18h，将球磨混合后原料在80℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.8h。
(2)在步骤(1)中球磨均匀的物料中加入占总质量3％的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在100MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，在500℃排胶0.8h，在1050℃高温烧结18h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料Sc1.1In0.9W3O12陶瓷。
实施例3
(1)合成负热膨胀材料Sc1.2In0.8W3O12，以分析纯Sc2O3、In2O3和WO3粉末为原料，按照摩尔比为Sc2O3：In2O3：WO3＝1.2：0.8：3称取原料，在酒精中混合后球磨24h，将球磨混合后原料在100℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨1h。
(2)在步骤(1)中球磨均匀的物料中加入占总质量5％的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在150MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，在500℃排胶1h，在1150℃高温烧结12h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料Sc1.1In0.9W3O12陶瓷。
下图1是制备ScInW3O12陶瓷的XRD图谱，从图中可知制备的ScInW3O12为斜方相，具有较高纯度，不含杂质峰。ScInW3O12陶瓷，不含杂质峰；图2是负热膨胀材料ScInW3O12的SEM图谱，从图中可以看出制备陶瓷样品结构致密；图3是制备负热膨胀材料ScInW3O12的热膨胀曲线，表明该材料具有良好的负热膨胀性能，其热膨胀曲线其在室温到700℃的温度范围内近乎为直线，说明其热膨胀性能稳定。在测试温度区间内，其线性热膨胀系数高达-7.13×10-6K-1。

Claims (6)

1.一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12，其特征在于，该材料以Sc2O3、In2O3和WO3为原料，采用固相法合成制备，其中1≤x≤1.2。
2.一种权利要求1所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以Sc2O3、In2O3和WO3为原料，在酒精中混合后球磨12～24h，将球磨混合后原料在60～100℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5～1h；
(2)将步骤(1)中球磨均匀的物料中加入占前驱体总质量2～5％的聚乙烯醇，研磨使混合均匀，然后在50-150MPa下冷压成型压片；
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶0.5～1h，在950～1150℃高温烧结12～24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12。
3.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，原料Sc2O3、In2O3和WO3的摩尔比为x:2-x:3,1≤x≤1.2。
4.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，其特征在于，步骤(1)中球磨时原料Sc2O3、In2O3和WO3的质量：玛瑙球：酒精的质量比为1:3:1.5。
5.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，其特征在于，步骤(2)中冷压成型过程中，分三阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/3和2/3大小处保压3min。
6.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为5℃/min。
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