CN107235512A - 一种新型低热膨胀材料及其烧结合成方法、用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机非金属材料领域，公开一种新型低热膨胀材料及其烧结合成方法、用途。首先按摩尔比3∶8称量K2CO3和WO3，研磨，然后将研磨好的粉末在空气气氛下加热至650~700℃，恒温预烧结4~6h，冷却至室温后取出；将预烧结得到的粉末再次研磨，然后压片，在空气气氛下加热至650~700℃，恒温烧结4~6h，冷却至室温后取出，得到目标产物。本发明新型低热膨胀材料可用于制备整流器件。本发明的反应原料在反应过程中均为固态，所用材料价格低廉，制备工艺简单，无污染，适合于工业化生产；本发明产品在室温附近具有低热膨胀的性质，无明显吸水性，可以制备成具有整流特性的器件，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种新型低热膨胀材料及其烧结合成方法、用途。
背景技术
热胀冷缩是自然界普遍存在的一种现象，这对我们的日常生活及科研工作都有着广泛的影响。一些器件在制备时往往会用到几种不同的材料，而各类材料的热膨胀性能若存在一定的差异，则当温度变化时，器件的各个部件之间可能会产生较大的热应力，导致器件的性能指标变差，甚至某些小的部件脱落、损坏等。尤其是对一些应用环境面临较大温度变化的精密器件，其结构部件的热膨胀性能尤为重要。为了减少不同材料之间的热应力，必须探索热膨胀系数为零或接近零的材料。通过将负热膨胀材料与正热膨胀材料复合可以制备可控热膨胀或零膨胀材料。然而，由于一些负热膨胀材料制备成本较高，而且存在结构相变和易吸水等现象导致其负膨胀性能和机械性能变差，因此，研发一种没有明显吸水性、成本较低的新型低热膨胀材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种没有明显吸水性、成本较低、且在室温附近具有低热膨胀性能的低热膨胀材料及其烧结合成方法，同时还提供了其新的用途。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种新型低热膨胀材料，该材料的分子式为K0.55WO3.275。低热膨胀材料是指线膨胀系数满足0<|α|<2×10-6K-1的材料。
烧结合成方法，按以下步骤完成：
（1）首先按摩尔比3∶8称量K2CO3和WO3，研磨，然后将研磨好的粉末在空气气氛下加热至650~700℃，恒温预烧结4~6h，冷却至室温后取出；
（2）将预烧结得到的粉末再次研磨，然后压片，在空气气氛下加热至650~700℃，恒温烧结4~6h，冷却至室温后取出，得到目标产物。
较好地，K2CO3和WO3均为分析纯试剂。
本发明所述新型低热膨胀材料不仅可与正热膨胀材料复合制备可控热膨胀材料，还具有新的特性--整流特性，因而具备新的用途，比如可用于制备整流器件（具有整流特性的器件）。
有益效果：
1.本发明的反应原料在反应过程中均为固态，所用材料价格低廉，制备工艺简单，无污染，适合于工业化生产；
2.本发明产品在室温附近（332~362K）具有低热膨胀的性质，由300K升高到500K的过程中无明显吸水性；
3．本发明产品具有新的特性--整流特性，因而具备新的用途，比如可用于制备整流器件，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1：实施例1制备的K0.55WO3.275的元素分析图谱。
图2：实施例1制备的K0.55WO3.275的室温XRD图谱。
图3：实施例1制备的K0.55WO3.275的相对长度随温度变化的曲线。
图4：实施例1制备的K0.55WO3.275的变温XRD图谱。
图5：实施例1制备的K0.55WO3.275的体积V随温度变化的曲线。
图6：实施例1制备的K0.55WO3.275的相对质量随温度变化的曲线。
图7：使用实施例1制备的K0.55WO3.275制成的Cu/K0.55WO3.275/Al器件的I-V曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
新型低热膨胀材料K0.55WO3.275的烧结合成方法，按以下步骤完成：
（1）首先按摩尔比3∶8称量K2CO3和WO3，放到研钵内研磨，然后将研磨好的粉末放在氧化铝坩埚中，并置于烧结炉中在空气气氛下加热至650℃，恒温预烧结4h，随炉冷却至室温后取出，得到白色的粉末；
（2）将预烧结得到的白色粉末再次放到研钵内研磨，用压片机将研磨好的白色粉末压制成直径10mm、高5mm的圆柱体，然后置于烧结炉中在空气气氛下加热至700℃，恒温烧结4h，随炉冷却至室温后取出，得到白色的目标产物，取样送去测试。
图1是使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测得的本实施例制备的样品K0.55WO3.275的元素分析图谱，由该图谱可计算出样品中K和W的原子比值为0.55:1，而名义配比中K和W的比值为0.75：1，K含量的减少可能是由于在制备的过程中K容易挥发造成的。
图2是本实施例制备的样品K0.55WO3.275的室温X射线衍射（XRD）图谱，通过物相分析可知，XRD图谱中没有杂质相和原料的峰，而且所有的衍射峰都可以用一个单斜晶胞指标化，晶胞参数为a= 15.9751 Å, b= 7.7309 Å, c= 10.9380Å，β= 108.4723̊。
图3是使用热膨胀仪测得的本实施例制备的样品K0.55WO3.275的相对长度随温度变化的曲线。由图3可知样品在室温附近（332~362K）具有低热膨胀的性质，在此温区的宏观线热膨胀系数为1.54×10-6K-1。
由图1~图3的结果可知，通过本发明可以成功制备出新型低热膨胀材料K0.55WO3.275。
图4是采用变温X射线衍射仪测得的本实施例制备的样品K0.55WO3.275的变温XRD图谱。通过物相分析可知，当温度在153~573K范围内变化时，样品晶体结构类型保持不变，始终为纯的单斜相，晶体结构没有发生相变。
根据图4的测量结果，可以计算出不同温度下的晶胞参数，并由晶胞参数计算得到样品K0.55WO3.275本征的体积V 随温度变化的曲线，如图5所示。通过比较可知：图5中样品本征的体积随温度变化的趋势与图3中由热膨胀仪测得的样品的相对长度随温度变化的趋势基本一致。
表1列出了由图3和图5分别计算得到的样品K0.55WO3.275的宏观线热膨胀系数以及本征线热膨胀系数。由表1可知：样品K0.55WO3.275在332~362K之间的宏观线热膨胀系数与本征线热膨胀系数分别为1.54×10~6K-1和1.01×10~6K-1，两者基本一致，这表明样品在室温附近（332~362K）具有低热膨胀的性质。
使用同步热分析仪测得本实施例制备的样品K0.55WO3.275的相对质量随温度的变化情况，如图6所示，在测试温度由300K升高到500K的过程中，发现样品的相对质量只增加了2.2%，没有失重的现象，表明样品没有明显吸水性。
另外，利用本实施例制备的样品K0.55WO3.275可以利用旋涂法制备成Cu/K0.55WO3.275/Al器件。具体制备过程为：首先在清洗干净的玻璃片上粘一层铝箔做为下电极，用砂纸打磨平整，并用去离子水清洗干净；将K0.55WO3.275与松油醇按质量比1:1均匀混合，利用旋涂法在3000r/min的转速下旋涂20s，在铝箔上制备一层均匀的K0.55WO3.275薄膜，并将一块清洗干净的铜箔轻轻覆盖在薄膜表面；将此结构放在干燥箱中在90℃和空气气氛下干燥1h即可。其I-V曲线如图7所示，由其I-V曲线可以看出Cu/K0.55WO3.275/Al器件具有明显的整流特性，可以用于制造阻变存储器（RRAM）。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在650℃恒温预烧6h。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在700℃恒温烧结6h。
Claims (4)
1.一种新型低热膨胀材料，其特征在于：该材料的分子式为K0.55WO3.275。
2.一种如权利要求1所述新型低热膨胀材料的烧结合成方法，其特征在于，按以下步骤完成：
（1）首先按摩尔比3∶8称量K2CO3和WO3，研磨，然后将研磨好的粉末在空气气氛下加热至650~700℃，恒温预烧结4~6h，冷却至室温后取出；
（2）将预烧结得到的粉末再次研磨，然后压片，在空气气氛下加热至650~700℃，恒温烧结4~6h，冷却至室温后取出，得到目标产物。
3.如权利要求2所述新型低热膨胀材料的烧结合成方法，其特征在于：K2CO3和WO3均为分析纯试剂。
4.如权利要求1所述新型低热膨胀材料的用途，其特征在于：用于制备整流器件。
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