CN106478099A - 一种负热膨胀材料Sc2W4O15及其固相烧结合成方法 - Google Patents

一种负热膨胀材料Sc2W4O15及其固相烧结合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无机非金属材料技术领域，特别公开一种负热膨胀材料Sc2W4O15及其固相烧结合成方法。（1）以摩尔比计，按Sc2O3：WO3=1：4称取原料Sc2O3、WO3粉末，混合，研磨均匀；（2）将步骤（1）中所得混合物料直接或压片后进行首次烧结，然后淬火并干燥；（3）将步骤（2）制得的样品压碎，并研磨均匀，直接或压片后进行二次烧结，然后再次淬火并干燥，即得目标产物Sc2W4O15。本发明提供的负热膨胀材料Sc2W4O15，在176K~1073K范围内具有稳定的负热膨胀性质,且在紫外光的激发下能发出黄绿色荧光，具有工程应用价值。使用本发明提供的固相烧结合成方法，两次烧结完成，反应过程简单，烧结速度快，反应时间短，在高温下原料反应充分，制成的成品纯度高。

Description

一种负热膨胀材料Sc2W4O15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技术领域，特别涉及一种负热膨胀材料Sc2W4O15及其固相烧结合成方法。
背景技术
自然界中绝大多数的材料具有热胀冷缩特性，但在自然界中也存在“热缩冷胀”的反常现象，即负热膨胀现象。材料之间的膨胀系数不同将会引起器件疲劳，性能下降甚至永久性失效。随着科技的发展，人们对具有低膨胀系数或者零膨胀系数材料的需求越来越多，人们希望通过研究负热膨胀（NTE）材料，达到将正负膨胀材料复合制成零膨胀或者低膨胀材料的目的。自然界中负热膨胀材料还非常有限，而性能优异、具有工程应用价值的负热膨胀材料则少之又少。目前关于负热膨胀材料，对未知材料，我们所面临的亟待解决的问题是积极寻找新型负热膨胀材料、探究出有效的制备方法；对已有的负热膨胀材料，我们所面临的亟待解决的问题是实施有效的性能调控，如适当的降低温度相变点、实现零膨胀和可控膨胀系数等等。例如，人们普遍研究的氧化物负热膨胀材料就包括ZrW2O8这一常见AM2O 8类材料，但ZrW2O8在室温下为亚稳相材料，在150℃左右发生相变，与其他材料复合时易发生分解等等一些问题严重制约了其应用。因此，研发一种负膨胀性能稳定、工艺简单、适合规模化生产的新材料非常必要并且具有显著意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负热膨胀材料Sc2W4O15的固相烧结合成方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种负热膨胀材料，其分子式为：Sc2W4O15。
所述的负热膨胀材料的固相烧结合成方法，步骤如下：
（1）以摩尔比计，按Sc2O3：WO3=1：4称取原料Sc2O3、WO3，混合，研磨均匀；
（2）将步骤（1）中所得混合物料直接或压片后进行首次烧结，然后淬火并干燥；
（3）将步骤（2）制得的样品压碎，并研磨均匀，直接或压片后进行二次烧结，然后再次淬火并干燥，即得目标产物Sc2W4O15；
其中，烧结条件为：首次烧结温度1500~1530℃，首次烧结时间3~10min；二次烧结温度1500~1530℃，二次烧结时间30~60min；首次烧结和二次烧结均在常压、空气气氛中进行。
较好地，步骤（2）和步骤（3）中的淬火优选在室温水中淬火。
较好地，步骤（2）和步骤（3）中的干燥条件优选为：温度80~200℃，时间≥100 min。
较好地，步骤（1）和步骤（3）中，研磨前优选加入无水乙醇（添加量以润湿物料为宜），以便能够快速均匀地将原料研磨充分。
有益效果：
1、本发明提供的负热膨胀材料Sc2W4O15，在176K~1073K范围内具有稳定的负热膨胀性质，且在紫外光的激发下能发出黄绿色荧光，具有工程应用价值；
2、使用本发明提供的固相烧结合成方法，两次烧结完成，反应过程简单，烧结速度快，反应时间短，在高温下原料反应充分，制成的成品纯度高。
附图说明
图1：实施例1合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的XRD图谱。
图2：实施例2合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的XRD图谱。
图3：实施例3合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的XRD图谱。
图4：实施例4合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的XRD图谱。
图5：实施例5合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的XRD图谱。
图6：实施例1以及对照例1、2合成的产品的XRD对照图谱。
图7：实施例1合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的变温XRD图谱。
图8：实施例1合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的相对长度与测试温度的变化曲线：（a）为高温膨胀仪测试结果（298K~1073K)，（b）为低温膨胀仪测试结果 (176K~673K )。
图9：实施例1合成的负热膨胀材料Sc2W4O15的扫描电镜照片：（a）放大倍数为5000，（b）放大倍数为10000。
图10：实施例1合成的负热膨胀材料Sc2W4O15（a）与对照例3在1360℃烧结30min合成的负热膨胀材料Sc2W3O12（b）在290nm波长紫外光激发下的荧光光谱图的发光光谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
负热膨胀材料Sc2W4O15的固相烧结合成方法，步骤如下：
（1）将分析纯粉末状试剂Sc2O3、WO3按摩尔比Sc2O3：WO 3=1：4称取，在玛瑙研钵内混合均匀，加入润湿当量的无水乙醇，研磨2 h；
（2）采用单轴干粉压片机在压强为8 Mpa的条件下，将步骤（1）研磨均匀的混合物料压片制胚，样胚直径10 mm、厚度3 mm；
（3）将高温管式炉的炉温设置到1500 ℃，待高温管式炉内温度达到预设温度并稳定后，将装有样胚的刚玉坩埚放入管式炉，常压空气气氛中1500 ℃首次烧结5 min，迅速取出放入室温去离子水中淬火并在80℃干燥100min；
（4）将步骤（3）中得到的样品压碎，并在玛瑙研钵内研磨，再次采用单轴干粉压片机在压强为8Mpa的条件下，压片制胚，样胚直径10 mm、厚度3mm，再装入刚玉坩埚放入管式炉，常压空气气氛中1500 ℃二次烧结1 h，迅速取出放入室温去离子水中淬火并在80℃干燥100min，得产品Sc2W4O15。
产品对应的XRD图谱见图1，图1给出的XRD图谱中没有出现原料峰和可能的中间产物峰，表明制备的产品是纯正交相结构的Sc2W4O15。
实施例2
与实施例1不同之处在于：步骤（3）中，首次烧结3 min。
产品对应的XRD图谱见图2，图2给出的XRD图谱中没有出现原料峰和可能的中间产物峰，表明制备的产品是纯正交相结构的Sc2W4O15。
实施例3
与实施例1不同之处在于：步骤（3）中，首次烧结10 min。
产品对应的XRD图谱见图3，图3给出的XRD图谱中没有出现原料峰和可能的中间产物峰，表明制备的产品是纯正交相结构的Sc2W4O15。
实施例4
与实施例1不同之处在于：步骤（3）中，设置高温管式炉至1530 ℃，1530 ℃首次烧结10min；步骤（4）中，1500 ℃二次烧结30 min。
产品对应的XRD图谱见图4，图4给出的XRD图谱中没有出现原料峰和可能的中间产物峰，表明制备的产品是纯正交相结构的Sc2W4O15。
实施例5
与实施例1不同之处在于：步骤（3）中，设置高温管式炉至1530 ℃，1530 ℃首次烧结5min；步骤（4）中，1500 ℃二次烧结45 min。
产品对应的XRD图谱见图5，图5给出的XRD图谱中没有出现原料峰和可能的中间产物峰，表明制备的产品是纯正交相结构的Sc2W4O15。
对照例1
与实施例1不同之处在于：步骤（3）中，设置高温管式炉至1400 ℃，烧结60 min，无二次烧结。
对照例1制备的产品对应的XRD图谱见图6，图6给出的XRD对照图中出现如图所标示的WO3原料峰，表明制备的产品并非纯的正交相结构的Sc2W4O15。
对照例2
与实施例1不同之处在于：步骤（1）中，将分析纯粉末状试剂Sc2O3、WO3按摩尔比Sc2O3：WO 3=1：2称取。
对照例2制备的产品对应的XRD图谱见图6，图6给出的XRD对照图中出现如图所标示的Sc2O3和WO3原料峰，表明制备的产品并非纯的正交相结构的Sc2W4O15。
对照例3
与实施例1不同之处在于：参考文献王少辉. A2(WO4)3钨酸盐的激光烧结、高温快速合成研究[D]. 郑州：郑州大学硕士论文，2007中第三章第3.1节公开的Sc2(WO4)3的高温快速合成方法，将分析纯粉末状试剂Sc2O3、WO3按摩尔比Sc2O3：WO 3=1：3称取，同时改变首次烧结条件为：烧结温度1360~1420℃，烧结时间0.5~4h，无二次烧结，制得一批样品，但最终证实获得的样品均是负热膨胀材料Sc2W3O12。
对比实施例1与对照例1~3可知：烧结条件、摩尔比的改变直接影响最终产品的纯度或分子式，只有在本发明设定的摩尔比和烧结条件下才能制备出纯正交相结构的Sc2W4O15。
性能表征
以实施例1制得的Sc2W4O15为测试对象，测试结果如下：
1、从室温开始测XRD，随后加热升温，得到的变温XRD图谱见图7，从图中可以看出，随着温度的升高，部分衍射峰逐渐向大角度偏移，根据布拉格衍射规律可知所制备材料具有负热膨胀特性。变温XRD图谱表明所制备的材料在298K~773K范围内没有相变，负热膨胀性能稳定。根据不同温度下XRD图谱计算出不同温度下的晶格常数，进而计算得到体膨胀系数为αV=-6.628×10-6 K-1；
2、用热膨胀仪测试其相对长度随测试温度的变化曲线见图8，（a）为高温膨胀仪测试结果，计算得出线膨胀系数约为αL=-3.42×10-6 K-1（298K~1073K)；（b）为低温膨胀仪测试结果，计算得出线膨胀系数约为αL= -3.26×10-6 K-1 (176K~673K )；
3、电子扫描电镜测试图见图9，其中（a）、（b）放大倍数分别为5000、10000倍，由图可知，颗粒大小均匀，并且表面光滑，结晶非常密实；
4、在荧光光谱仪上用290 nm波长紫外光激发下的荧光光谱图如图10（a）所示，说明该材料在290 nm波长紫外光激发下能发出黄绿色荧光，并且该材料具有从近紫外到红光范围的宽光谱发光。然而，对照例3所示系列烧结条件下合成的Sc2W3O12的发光性能基本一致且都很弱，其中1360℃烧结30min合成的Sc2W3O12的发光性能见图10（b）所示。

Claims (5)

1.一种负热膨胀材料，其特征在于分子式为：Sc2W4O15。
2.一种如权利要求1所述的负热膨胀材料的固相烧结合成方法，其特征在于，步骤如下：
（1）以摩尔比计，按Sc2O3：WO3=1：4称取原料Sc2O3、WO3，混合，研磨均匀；
（2）将步骤（1）中所得混合物料直接或压片后进行首次烧结，然后淬火并干燥；
（3）将步骤（2）所得的样品压碎，并研磨均匀，直接或压片后进行二次烧结，然后再次淬火并干燥，即得目标产物Sc2W4O15；
其中，烧结条件为：首次烧结温度1500~1530℃，首次烧结时间3~10min；二次烧结温度1500~1530℃，二次烧结时间30~60min；首次烧结和二次烧结均在常压、空气气氛中进行。
3.如权利要求2所述的固相烧结合成方法，其特征在于：步骤（2）和步骤（3）中的淬火是指在室温水中淬火。
4.如权利要求2所述的固相烧结合成方法，其特征在于步骤（2）和步骤（3）中的干燥条件为：温度80~200℃，时间≥100 min。
5.如权利要求2所述的固相烧结合成方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（3）中，研磨前加入无水乙醇。
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