CN105752950A - 一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料及其合成方法 - Google Patents

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毛浩恩
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Abstract

本发明公开了一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料，其分子式为Mn3Ga1?xGexN，其中，0.10≤x≤0.48。其合成方法是：（1）称取质量分数为99.99%的锰粉于坩埚中并放于管式炉中，在流动的高纯氮气气氛下以10℃/分钟的升温速度升至750℃，保温、冷却，合成Mn2N0.86；（2）按化学计量比取Mn2N0.8、GaN、Ge粉，在球磨机中混匀；（3）将粉末在15MPa冷等静压力下压成片；（4）将压成的片在石英管式炉中升温至820?860℃，氮气气氛下保温24?48小时，冷却，得到产物。所合成材料的负热温区270?520K，其负热膨胀系数在5.30?12.50ppm/K之间，具有重要工程应用价值。

Description

一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种金属化合物材料，特别是一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料，属于新型功能材料和粉末冶金技术领域。
背景技术
多数固体材料受热会发生体积膨胀，可导致样品或器件的尺寸稳定性下降。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的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，同时也使成本增加。近年来，随着高精密加工技术、电子工业技术、航空航天技术以及光电转换技术等先进尖端科技的迅猛发展，高新科技领域对材料的抗热冲击性能，特别是对精密部件的尺寸稳定性提出了越来越高的要求。高性能、宽温区、具有零膨胀和可控膨胀特性的材料，是设计和制造零膨胀和可控膨胀的功能-结构一体化器件，解决现代科学技术中许多难题的关键所在。而宽温区的性能优异的负热膨胀材料是设计和制备零膨胀和膨胀系数可控材料的关键，因此负热膨胀材料受到越来越多的关注。
现有技术中报道的反钙钛矿结构的金属间化合物大多是低温和室温区，而在高温区具有负热膨胀性能的材料报道的较少。例如Mn3Ga0.75Si0.25N其负膨胀温区最高达到了420K（文献：Y.Sun，C.Wang，Y.C.Wen,L.HChuandManNie，JournaloftheAmericanChemicalSociety，93(2010)650–653），Mn3Zn0.3Sn0.7N负膨胀温区最高达到了447K，但是其负膨胀温区只有10K（文献：T.HamadaandK.Takenaka，JournalofAppliedPhysics,109,(2011)07E309）。虽然非金属材料的负热膨胀温度区间能达到较高的温区，但是其并不具有各向同性物理性能、良好的金属特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料及其合成方法。
具体的，本发明的具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料由Mn、Ga、Ge、N四种元素组成，其分子式为Mn3Ga1-xGexN，其中，0.15≤x≤0.48，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
本发明的具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料的合成方法，包括以下步骤：
（1）称取质量分数为99.99%的锰粉铺于坩埚中，将坩埚放于管式炉内，在流动的质量分数为99.99%的氮气气氛下，以10℃/分钟的升温速度升至750℃，保温5小时，随炉冷却，得到Mn2N0.86；
（2）按化学计量比称取Mn2N0.8、GaN粉、Ge粉，在球磨机中混合均匀，得到均匀粉末；
（3）将所得均匀粉末在15MPa冷等静压力下压成片状；
（4）将压成的片在石英管式炉中升温至820-860℃，在氮气气氛下，保温
24-48小时，随炉冷却至室温，得到目标产物Mn3Ga1-xGexN。
本发明的合成方法，所用GaN粉为原料粉，其质量分数为99.99%。
本发明的合成方法，所用的氮气气氛压力为0.02-0.05MPa。
本发明取得的有益效果如下：
本发明的合成方法简单，原料易得。合成的负热膨胀材料的负热温区在410-485K的高温温度区间，其负热膨胀系数小于12.5ppm/K，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1：实施例1合成的Mn3Ga0.8Ge0.2N材料的XRD图谱。
图2：实施例2合成的Mn3Ga0.6Ge0.4N材料的相对长度与测试温度的变化关系。
图3：实施例3合成的Mn3Ga0.55Ge0.45N材料的相对长度与测试温度的变化关系。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明。
实施例1
称取质量分数为99.99%的锰粉铺于刚玉坩埚中，将坩埚放于管式炉中，在流动的质量分数为99.99%的氮气气氛下，以10℃/分钟的升温速度升至750℃，保温5小时，随炉冷却，合成Mn2N0.86；按化学计量比15:8:2称取Mn2N0.8、GaN粉、Ge粉，在高能球磨机中混合均匀；将粉末在15MPa冷等静压力下压成片状；将压成的片放在石英管式炉中，升温至860℃，在氮气压力0.03Mpa气氛下，保温24小时，随炉冷却至室温，即得到目标产物Mn3Ga0.8Ge0.2N，其物相XRD图谱如图1所示。其负热膨胀温区为350-408K。
实施例2
称取质量分数为99.99%的锰粉铺于刚玉坩埚中，将坩埚放于管式炉中，在流动的质量分数为99.99%的氮气气氛下，以10℃/分钟的升温速度升至750℃，保温5小时，随炉冷却，合成Mn2N0.86；按化学计量比15:6:4称取Mn2N0.8、GaN粉、Ge粉，在高能球磨机中混合均匀；将粉末在15MPa冷等静压力下压成片状；将压成的片在石英管式炉中，升温至860℃，在氮气压力0.04MPa气氛下，保温36小时，随炉冷却至室温，即得到目标产物Mn3Ga0.8Ge0.4N，其负热膨胀温区为430-472K。其相对长度与测试温度的变化关系如图2所示。
实施例3
按化学计量比称取Mn2N0.8、GaN粉、Ge粉混合组成Mn3Ga0.55Ge0.45N，在高能球磨机中混合均匀；将粉末在15MPa冷等静压力下压成片状；将压成的片在石英管式炉中，升温至820℃，在氮气压力0.04MPa气氛下，保温48小时，随炉冷却至室温，即得到目标产物Mn3Ga0.55Ge0.45N，其负热膨胀温区为466-516K，温区达到50k,其负热膨胀系数为5.84ppm/K，其比长度随温度的变化如图3所示。

Claims (4)

1.一种具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料，其特征在于由Mn、Ga、Ge、N四种元素组成，其分子式为Mn3Ga1-xGexN，其中，0.15≤x≤0.48，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
2.一种如权利要求1所述的具有高温负热膨胀性能的金属间化合物材料的合成方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）称取质量分数为99.99%的锰粉铺于坩埚中，将坩埚放于管式炉内，在流动的质量分数为99.99%的氮气气氛下，以10℃/分钟的升温速度升至750℃，保温5小时，随炉冷却，得到Mn2N0.86；
（2）按化学计量比称取Mn2N0.8、GaN粉、Ge粉，在球磨机中混合均匀，得到均匀粉末；
（3）将所得均匀粉末在15MPa冷等静压力下压成片状；
（4）将压成的片在石英管式炉中升温至820-860℃，在氮气气氛下，保温
24-48小时，随炉冷却至室温，得到目标产物Mn3Ga1-xGexN。
3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于所用GaN粉为原料粉，其质量分数为99.99%。
4.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于所用的氮气气氛压力为0.02-0.05MPa。
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