CN108441727A - 一种具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料及其制备方法 - Google Patents

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代永娟
李重阳
谭永军
郭利聪
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    • C22C1/058—Mixtures of metal powder with non-metallic powder by reaction sintering (i.e. gasless reaction starting from a mixture of solid metal compounds)

Abstract

本发明公开了一种具有高温近零热膨胀特性的金属间化合物材料，该材料在478K≤T≤511K温区内具有近零热膨胀效应，其分子式为Mn3Ga0.3Sn0.7N，其原子配比为Mn：Ga：Sn：N=30：3：7：10，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。其制备方法是：（1）称取纯度为99.99%的锰粉若干平铺于刚玉坩埚中并置于石英管式炉中，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）按照摩尔比Mn2N0.86：GaN：Sn=15：3：7称取Mn2N0.86粉、GaN粉和Sn粉，在高能球磨机中混合均匀;（3）将粉末在石墨模具中压成片状;（4）将压成的片状材料在石英管式炉中升温至860℃，在氮气气氛下，保温24小时，随炉冷却至室温，即得到目标产物Mn3Ga0.3Sn0.7N。

Description

一种具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种金属间化合物材料，特别是一种具有高温近零膨胀特性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
热胀冷缩是绝大多数固态材料的本质特性。固态材料的热胀冷缩，反映在机械结构的零部件方面，则表现为，随环境温度在一定温区内的循环波动，零部件的尺寸精确性、部件之间的受力平衡、整体机械系统的结构稳定性等，均将受到显著的负面影响，甚至可能诱发严重的安全事故。此外，伴随航空航天、通讯工程、军事工程、精密仪器仪表等尖端工业领域的快速发展，越来越多的机械零件，不仅充当着常规的结构部件角色，同时兼具了功能部件的作用。在此背景下，近些年来，以低膨胀系数的Invar合金为代表，研制新型的零膨胀材料正在成为凝聚态物理和新材料领域的研究热点。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，而在高温区具有零热膨胀性能的“反钙钛矿”结构材料报道的较少。例如：Mn3Ga0.5Ge0.5 N其近零膨胀温区最高达到了423K<T<475K（文献：YongjuanDai, Rongjin Huang, Wei Wang, Laifeng Li, Zhonghua Sun. CeramicsInternational 43 (2017) 1608–1611）。Mn3Ga0.6Sn0.4N 其近零膨胀温区最高达到了367K<T<400K，（文献：Zhang Liqiang, Wang Daolian, Tan Jie, Li Wen, Wang Wei,HuangRongjin, Li Laifeng. Rare Metal Materials and Engineering, 43(2014)6: 1304-1307），但是文献报道的Mn3Ga0.6Sn0.4N的制备方式是通过SPS设备合成，SPS设备昂贵，投资大，试样尺寸小，不是工业化生产的理想工艺方法。虽然非金属材料的近零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，且其制备工艺和设备复杂，投入较大，不适宜大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料及其制备方法。
具体的，本发明的具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料由Mn、Ga、Sn、N 四种元素组成，其分子式为Mn3Ga0.3Sn0.7N，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
本发明的具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）称取纯度为99.99%的锰粉铺于坩埚中，将坩埚放于管式炉内，在流动的纯度为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）按照摩尔比称取Mn2N0.86、GaN粉和Sn粉，在高能球磨机中混合均匀，得到均匀粉末；
（3）将所得均匀粉末在冷等静压力下压成块状或片状材料；
（4）将压成一定形状的材料用碳纸包覆并置于刚玉坩埚中放入石英管式炉中加热；
（5）将石英管式炉通过通入高纯氮气，以保证管式炉中高纯氮气的气氛，然后用密封装置将石英管两端封闭；
（6）将石英管式炉从室温升温至860℃,保温24小时，然后冷却至室温，得到目标产物Mn3Ga0.3Sn0.7N。
本发明的制备方法，所用GaN粉为原料粉，其纯度为99.99%。
本发明的制备方法，步骤（5），通入纯度99.999%高纯氮气，时间在15分钟以上，以保证石英管中的氮气气氛。
本发明的制备方法，步骤（6），保温所用的氮气气氛压力为0.02-0.05MPa。
本发明的制备方法，步骤（6），其升温方式为：室温—500℃，升温速率为10℃/min；500—800℃，升温速率为10℃/min；800—860℃，升温速率为5℃/min。按降温方式为：860—800℃，降温速率为5℃/min，800—500℃，降温速率为10℃/min，500℃—室温，降温速率为10℃/min，冷却至室温。
本发明的制备方法，步骤（3），其冷等静压力在1MPa以上。
本发明取得的有益效果如下：
本发明的制备方法、设备简单，原料易得，易于大规模生产。合成的材料在478K<T<511K高温区内具有近零热膨胀效应，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为合成的Mn3Ga0.3Sn0.7N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。
称取纯度为99.99%的锰粉铺于坩埚中，将坩埚放于管式炉内，在流动的纯度为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；按照摩尔比Mn2N0.86：GaN：Sn=15：3：7称取Mn2N0.86粉、GaN粉和Sn粉，在高能球磨机中混合均匀，得到均匀粉末：将所得均匀粉末在5MPa冷等静压力下压成片状材料；将压成的片状材料用碳纸包覆至于刚玉坩埚中放入石英管式炉中加热，将石英管式炉通过通入15分钟的高纯氮气，以保证管式炉中氮气的纯度达到99.999%，然后用密封装置两端封闭石英管；将管式炉按升温方式为：室温—500℃，升温速率为10℃/min；500—800℃，升温速率为10℃/min；800—860℃，升温速率为5℃/min，升温至860℃，在氮气气氛下，保温24小时，氮气气氛压力为0.03MPa。然后按降温方式为：860—800℃，降温速率为5℃/min；800—500℃，降温速率为10℃/min；500℃—室温，降温速率为10℃/min，冷却至室温，得到目标产物Mn3Ga0.3Sn0.7N。

Claims (7)

1.一种具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料，其特征在于由Mn、Ga、Sn、N四种元素组成，其分子式为Mn3Ga0.3Sn0.7N，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。
2.一种如权利要求1所述的具有高温近零膨胀特性的金属间化合物材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）称取纯度为99.99%的锰粉铺于坩埚中，将坩埚放于管式炉内，在流动的纯度为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）按照摩尔比称取Mn2N0.86、GaN粉和Sn粉，在高能球磨机中混合均匀，得到均匀粉末；
（3）将所得均匀粉末在冷等静压力下压成片状材料；
（4）将压成的片状材料用碳纸包覆并置于刚玉坩埚中放入石英管式炉中加热；
（5）将石英管式炉通过通入高纯氮气，以保证管式炉中高纯氮气的气氛，然后用密封装置将石英管两端封闭；
（6）将石英管式炉从室温升温至860℃,保温24小时，然后冷却至室温，得到目标产物Mn3Ga0.3Sn0.7N。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所用GaN粉为原料粉，其纯度为99.99%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤（5），通入纯度99.999%高纯氮气，时间在15分钟以上。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所用的氮气气氛压力为0.02-0.05MPa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（6），其升温方式为：室温—500℃，升温速率为10℃/min，500—800℃，升温速率为10℃/min；800—860℃，升温速率为5℃/min；
降温方式为：860—800℃，降温速率为5℃/min，800—500℃，降温速率为10℃/min，500℃—室温，降温速率为10℃/min，冷却至室温。
7.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于步骤（3），其冷等静压力在1MPa以上。
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