CN107140980A - 一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑xScxMo3O12及其制备方法 - Google Patents

一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑xScxMo3O12及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑ xScxMo3O12及其制备方法。其中1.4≤x≤1.6。属于无机非金属功能材料领域，该负热膨胀Fe2‑ xScxMo3O12陶瓷材料以分析纯Sc2O3、Fe2O3和MoO3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、混料、球磨、成型和在750‑1200℃烧结，制备得到的斜方向负热膨胀材料Fe2‑xScxMo3O12陶瓷，其结构致密，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Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷在室温到700℃的温度范围内，其线热膨胀系数为‑5.70×10‑6/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Fe2‑xScxMo3O12的制备方法较为简单，制备周期短、成本低、环保无污染，具有较好的应用前景。

Description

一种负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12及其制备方法
技术领域
本发明属于无机功能陶瓷材料领域，具体涉及一种负热膨胀陶瓷材料Fe2- xScxMo3O12及其制备方法。
背景技术
负热膨胀材料是一种具备反常热膨胀性能的材料，它随着温度的变化体积发生“热缩冷胀”。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。
A2M3O12(A＝Sc,Yb,In,Y,等；M＝W,Mo)系列负热膨胀材料众多，并以其优异的性能近些年来得到快速发展。研究表明：该系列材料的热膨胀性能主要取决于A位阳离子，不同A位阳离子会使得A2M3O12系列材料呈现不同的热膨胀特性。其中Fe2Mo3O12是该系列中负热膨胀化合物的一员，但是其在室温下为单斜相，表现出正热膨胀，在499℃时，才转变为斜方向，表现出良好的负热膨胀性能，这对其今后应用十分不利。为使其在室温及以上温度范围内均表现为有稳定的负热膨胀性，通过进行Sc离子掺杂，制备得到一种具有优异负热膨胀性能的新型材料，将有着重要的研究意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在室温以上具有稳定负热膨胀性能、制备工艺简单、合成成本低的新型负热膨胀材料Fe2-xScxMo3O12及其制备方法。
实现上述目的的技术解决方案是：
一种负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12，该材料以MoO3、Sc2O3、Fe2O3为原料，采用固相法合成制备，其中1.4≤x≤1.6。
上述一种负热膨胀材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，包括如下步骤：
(1)合成Fe2-xScxMo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Fe2O3、MoO3粉末，按照一定的化学计量比称重Sc2O3、Fe2O3和MoO3，在水中混合后球磨3～9h，将球磨混合后的原料在100～120℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5～1h，在700～750℃预烧7～12h。
(2)将步骤(1)中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨30～40min，加入占前驱体总质量1～3％的聚乙烯醇，研磨20～30min使其混合均匀，然后在20～30MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在550℃排胶2～3h，在780～900℃高温烧结12～24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12。
上述一种负热膨胀Fe2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法中，步骤(1)中，原料Sc2O3、Fe2O3、和MoO3的摩尔比为x：2-x：6，1.4≤x≤1.6。
上述一种负热膨胀Fe2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法，步骤(1)中，球磨时原料Sc2O3、Fe2O3、和MoO3的质量和：玛瑙球：酒精的质量比为1:3:1。
上述一种负热膨胀Fe2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法中，步骤(2)中，冷等静压成型过正中，分二阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/2和最终成型压力处保压5min。
上述一种负热膨胀Fe2-xScxMo3O12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)对陶瓷样品进行物相结构分析；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、Fe2O3、和MoO3的摩尔比为0.75:0.25:3为例，对本发明制备的负热膨胀材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12具体性能进行检测分析可以发现：制备样品为斜方相Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷，形成固溶体，不含杂质峰，陶瓷结构致密，且该材料在室温及以上具有稳定且良好的负热膨胀性能，其热膨胀曲线在室温到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-5.70×10-6/K。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Fe0.5Sc1.5Mo3O12的XRD图谱。
图2为本发明负热膨胀材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷的SEM图谱。
图3为本发明负热膨胀材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷的热膨胀曲线。
具体实施方式
本实验所用原料为：Sc2O3(分析纯)、Fe2O3(分析纯)和MoO3(分析纯)。
固相法制备负热膨胀材料Fe2-xScxMo3O12，其中1.4≤x≤1.6，下面结合实例对本发明作进一步的描述。
实施例1
(1)合成Fe0.6Sc1.4Mo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Fe2O3、MoO3粉末，按照0.7：0.3：3的化学计量比称重Sc2O3、Fe2O3和MoO3，在水中混合后球磨3h，将球磨混合后的原料在100℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨1h，在750℃预烧7h。
(2)将步骤(1)中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨40min，加入占前驱体总质量1％的聚乙烯醇，研磨30min使其混合均匀，然后在20MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在550℃排胶2h，在900℃高温烧结12h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Fe0.6Sc1.4Mo3O12。
实施例2
(1)合成Fe0.5Sc1.5Mo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Fe2O3、MoO3粉末，按照0.75：0.25：3的化学计量比称重Sc2O3、Fe2O3和MoO3，在水中混合后球磨6h，将球磨混合后的原料在110℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.6h，在730℃预烧9h。
(2)将步骤(1)中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨35min，加入占前驱体总质量2％的聚乙烯醇，研磨25min使其混合均匀，然后在25MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在550℃排胶2.5h，在830℃高温烧结18h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12。
实施例3
(1)合成Fe0.4Sc1.6Mo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Fe2O3、MoO3粉末，按照0.8：0.2：3的化学计量比称重Sc2O3、Fe2O3和MoO3，在水中混合后球磨9h，将球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5h，在700℃预烧12h。
(2)将步骤(1)中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨30min，加入占前驱体总质量3％的聚乙烯醇，研磨30min使其混合均匀，然后在30MPa下冷压成型压片。
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在550℃排胶3h，在780℃高温烧结24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Fe0.4Sc1.6Mo3O12。
下图1是制备Sc1.5Fe0.5Mo3O12陶瓷的XRD图谱，从图中可知制备的Sc1.5Fe0.5Mo3O12为斜方相，具有较高纯度，不含杂质峰。图2是负热膨胀材料Sc1.5Fe0.5Mo3O12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Sc1.5Fe0.5Mo3O12陶瓷的热膨胀曲线，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-5.70×10-6/K。

Claims (6)

1.一种负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12，其特征在于，该材料以MoO3、Sc2O3、Fe2O3为原料，采用固相法合成制备，其中1.4≤x≤1.6。
2.一种权利要求1所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以分析纯MoO3、Sc2O3、Fe2O3为原料，称量前将原料置于120℃的烘箱中烘干6～12h，按照一定摩尔比称量原料，在水中混合后球磨3～9h，烘干，将球磨混合后的原料在100～120℃烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5～1h，在700～750℃预烧7～12h；
(2)将步骤(1)中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨30～40min，加入占前驱体总质量1～3％的聚乙烯醇，研磨20～30min使其混合均匀，然后在20～30MPa下冷压成型压片；
(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在550℃排胶2～3h，在780～900℃高温烧结12～24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12。
3.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，原料Sc2O3、Fe2O3、MoO3的摩尔比为x：2-x：6，1.4≤x≤1.6。
4.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，步骤(1)中球磨时原料MoO3、Sc2O3、Fe2O3的质量：玛瑙球：水的质量比为1：3：1。
5.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，步骤(2)中冷压成型过程中，分二阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/2和最终成型压力处保压5min。
6.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(3)中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为5℃/min。
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