一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑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。

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、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。