一种负热膨胀陶瓷材料Al2‑xScxMo3O12及其制备方法与流程

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al2-xscxmo3o12及其制备方法。

背景技术：

自然界大多数材料随着温度的变化发生“热胀冷缩”，但也有少数材料会发生“热缩冷胀”现象，这类材料称之为负热膨胀材料。负热膨胀材料在航空航天、微电子、光学和微机械等领域有着巨大的潜在应用前景。随着科技的发展，高精密器件对自身的精确尺寸要求越来越高，这对器件的功能也至关重要。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。

负热膨胀材料主要有以下三个系列：am2o7系列（a=zr,hf;m=v,p）；am2o8系列（a=zr,hf;m=w,mo）；a2m3o12系列（a=sc,yb,in,y,等;m=w,mo）。虽然经过多年的研究与探索，发现了一些新的负热膨胀材料，但其负热膨胀性能都存在一定的不足。比如am2o8系列负热膨胀材料在其负热膨胀相应温度范围内存在相变，会导致其热膨胀性能的突变；am2o7系列的负热膨胀材料的负热膨胀在102℃以上才表现为负热膨胀。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。当a为y³⁺，ho³⁺，tm³⁺，er³⁺，yb³⁺，lu³⁺元素时，该部分负热膨胀材料在空气中易吸湿，室温下热膨胀系数表现为正，随着温度升高，失去结晶水后，才表现为优异的负热膨胀特性，当温度降低到室温后又会吸湿，失去负热膨胀特性。这种易吸湿缺陷引起的热膨胀特性改变难以克服，阻碍其走向实际应用。然而当a为in³⁺，fe³⁺，cr³⁺，al³⁺元素时，该部分负热膨胀材料则不吸湿潮解。这五种元素的钨酸盐和钼酸盐均包含单斜相和斜方相两种晶体结构，其中单斜相呈现正热膨胀，斜方相呈现负热膨胀。随着温度的变化，该系列材料均会发生单斜相向斜方相的转变。其中al2mo3o12从单斜相（正膨胀）到斜方相（负膨胀）的相转变温度为200℃。这种在室温以上由于相转变温度的改变，带来的热膨胀性能由正到负的改变，对其应用有着不利的影响，通过离子掺杂，将al2mo3o12的相变点移至室温以下，制备得到一种新型负热膨胀材料，有着重要的研究意义和实用价值。

技术实现要素：

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、合成成本低、制备工艺简单的新型负热膨胀材料al2-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al2-xscxmo3o12，该材料以sc2o3、al2o3和moo3为原料，采用分步固相法合成制备，其中0.35≤x≤0.45。

上述一种负热膨胀材料al2-xscxmo3o12的制备方法，包括如下步骤：

（1）合成al2-xscxmo3o12的原料为分析纯sc2o3、al2o3和moo3粉末，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干24～36h，按照计量比称重sc2o3、al2o3和moo3原料，在水中混合后球磨3-6h，将球磨混合后的原料在120～150℃烘箱中烘干，然后在600～750℃烧结6-12h；

（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨1-2h,加入占前驱体总质量2～4%的聚乙烯醇，研磨20-40min使混合均匀，然后在100-150mpa下冷压成型压片；

（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶0.5～1h，在750-1100℃高温烧结12～24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料al2-xscxmo3o12。

上述一种负热膨胀al2-xscxmo3o12陶瓷的制备方法中，步骤（1）中，原料sc2o3、al2o3和moo3的摩尔比为x:2-x:6,0.35≤x≤0.45。

上述一种负热膨胀al2-xscxmo3o12陶瓷的制备方法，步骤（1）中球磨时原料sc2o3、al2o3和moo3的质量：玛瑙球：水的质量比为1:4:2。

上述一种负热膨胀al2-xscxmo3o12陶瓷的制备方法中，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2min。

上述一种负热膨胀al2-xscxmo3o12陶瓷的制备方法中，步骤（1）和（3）中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为7℃/min。

采用x射线衍射仪（xrd）对样品进行物相结构进行分析；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、al2o3和moo3的摩尔比为0.2:0.8:3为例，对本发明制备的负热膨胀材料al1.6sc0.4mo3o12具体性能进行检测分析可以发现：制备样品为斜方相al1.6sc0.4mo3o12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-2.19×10^-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al1.6sc0.4mo3o12的xrd图谱。

图2为本发明负热膨胀材料al1.6sc0.4mo3o12陶瓷的断面sem图谱。

图3为本发明负热膨胀材料al1.6sc0.4mo3o12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）、al2o3（分析纯）和moo3（分析纯）。

固相法制备负热膨胀材料al2-xscxmo3o12，其中0.35≤x≤0.45，下面结合实例对本发明作进一步的描述。

实施例1

（1）合成al1.6sc0.4mo3o12的原料为分析纯sc2o3、al2o3和moo3粉末，按照计量比称重sc2o3:al2o3:moo3=0.2：0.8：3，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干24h，在水中混合后球磨3h，将球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，然后在740℃烧结6h；

（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨20min,加入占前驱体总质量2%的聚乙烯醇，研磨40min使混合均匀，然后在100mpa下冷压成型压片；

（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1h，在800℃高温烧结18h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料al1.6sc0.4mo3o12。

实施例2

（1）合成al1.62sc0.38mo3o12的原料为分析纯sc2o3、al2o3和moo3粉末，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干28h，按照计量比称重sc2o3:al2o3:moo3=0.19：0.81：3，在水中混合后球磨5h，将球磨混合后原料在130℃烘箱中烘干，然后在710℃烧结8h；

（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨10min,加入占前驱体总质量2.5%的聚乙烯醇，研磨30min使混合均匀，然后在125mpa下冷压成型压片；

（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1.5h，在770℃高温烧结20h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料al1.62sc0.38mo3o12。

实施例3

（1）合成al1.54sc0.46mo3o12的原料为分析纯sc2o3、al2o3和moo3粉末，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干36h，按照计量比称重sc2o3:al2o3:moo3=0.23：0.77：3，在水中混合后球磨6h，将球磨混合后原料在150℃烘箱中烘干，然后在730℃烧结7h；

（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨15min,加入占前驱体总质量3%的聚乙烯醇，研磨20min使混合均匀，然后在150mpa下冷压成型压片；

（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶2h，在750℃高温烧结12h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料al1.54sc0.46mo3o12。

下图1是制备al1.6sc0.4mo3o12陶瓷的xrd图谱，从图中可知制备的al1.6sc0.4mo3o12为斜方相，具有较高纯度，不含杂质峰。图2是负热膨胀材料al1.6sc0.4mo3o12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al1.6sc0.4mo3o12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-2.19×10^-6/k。