一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2‑xMo3O12及其制备方法与流程

本发明属于负热膨胀无机功能陶瓷材料领域，具体涉及一种负热膨胀陶瓷材料scxin2-xmo3o12及其制备方法。

背景技术：

随着温度的变化体积发生“热缩冷胀”的材料称为负热膨胀材料。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。

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。第三系列的a2m3o12负热膨胀成员众多，负热膨胀各不相同。其中in2mo3o12表现出优异的负热膨胀性能。但是其在室温下为单斜相，表现为正热膨胀，在340℃时才转变为具有良好负热膨胀性能的斜方相，这对其应用十分不利，为了使in2mo3o12在室温以上均表现为稳定的负热膨胀性能，通过sc的掺杂，探寻一种负热膨胀性能优异的新型负热膨胀材料scxin2-xmo3o12，使其在室温及以上均表现为负热膨胀，对其将来的实际应用具有十分重要的意义。

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和制备工艺简单的新型负热膨胀材料scxin2-xmo3o12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scxin2-xmo3o12的制备方法，包括如下步骤：

(1)合成scxin2-xmo3o12的原料为分析纯sc2o3、in2o3和moo3粉末，按照计量比称重sc2o3、in2o3和moo3，混料后在去离子水中球磨3～6h，将球磨混合后的原料在120～150℃烘箱中烘干，将原料放入玛瑙研钵中混合研磨1～2h；

(2)将步骤(1)中研磨均匀的物料中加入占前驱体总质量1～3％的聚乙烯醇，研磨20～40min混合均匀，然后在25～50mpa下冷等静压成型压片；

(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1～2h，在650～750℃高温烧结6～12h，随炉冷却后得到预烧的负热膨胀陶瓷材料scxin2-xmo3o12。

(4)将步骤(3)中预烧得到的负热膨胀陶瓷材料scxin2-xmo3o12再次放入玛瑙研钵中研磨1～2h，加入占前驱体总质量1～3％的聚乙烯醇，研磨20～40min混合均匀，然后在100～150mpa下冷等静压成型压片，然后置于800～1100℃高温烧结2～4h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料scxin2-xmo3o12。

上述一种负热膨胀scxin2-xmo3o12陶瓷的制备方法中，步骤(1)中，原料sc2o3、in2o3和moo3的摩尔比为x:2-x:3,1.4≤x≤1.6。

上述一种负热膨胀scxin2-xmo3o12陶瓷的制备方法，步骤(1)中球磨时原料sc2o3、in2o3和moo3的质量和：玛瑙球：酒精的质量比为1:3:1.5。

上述一种负热膨胀scxin2-xmo3o12陶瓷的制备方法中，步骤(2)和(4)中冷等静压成型过程中，分两阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/2和最终成型压力处保压4min。

上述一种负热膨胀scxin2-xmo3o12陶瓷的制备方法中，步骤(3)和(4)中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为6℃/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、in2o3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sc1.5in0.5mo3o12具体性能进行检测分析可以发现：制备样品为斜方相sc1.5in0.5mo3o12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，其线性热膨胀系数高达-3.99×10^-6/k。而且制备工艺简单，烧结温度低，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sc1.5in0.5mo3o12的xrd图谱。

图2为本发明负热膨胀材料sc1.5in0.5mo3o12陶瓷的sem图谱。

图3为本发明负热膨胀材料sc1.5in0.5mo3o12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)、in2o3(分析纯)和moo3(分析纯)。

固相法制备负热膨胀材料scxin2-xmo3o12，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)合成负热膨胀材料sc1.4in0.6mo3o12，以分析纯sc2o3、in2o3和moo3粉末为原料，按照摩尔比为sc2o3：in2o3：moo3＝0.7：0.3：3称取原料，混料后在去离子水中球磨3h，将球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，将原料放入玛瑙研钵中混合研磨2h；

(2)将步骤(1)中研磨均匀的物料中加入占前驱体总质量1％的聚乙烯醇，研磨40min混合均匀，然后在50mpa下冷等静压成型压片；

(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6h，随炉冷却后得到预烧的负热膨胀陶瓷材料sc1.4in0.6mo3o12。

(4)将步骤(3)中预烧得到的负热膨胀陶瓷材料sc1.4in0.6mo3o12再次放入玛瑙研钵中研磨2h，加入占前驱体总质量1％的聚乙烯醇，研磨40min混合均匀，然后在100mpa下冷等静压成型压片，然后置于1100℃高温烧结2h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料sc1.4in0.6mo3o12。

实施例2

(1)合成负热膨胀材料sc1.5in0.5mo3o12，以分析纯sc2o3、in2o3和moo3粉末为原料，按照摩尔比为sc2o3：in2o3：moo3＝0.75：0.25：3称取原料，混料后在去离子水中球磨4h，将球磨混合后的原料在130℃烘箱中烘干，将原料放入玛瑙研钵中混合研磨1.5h；

(2)将步骤(1)中研磨均匀的物料中加入占前驱体总质量2％的聚乙烯醇，研磨30min混合均匀，然后在40mpa下冷等静压成型压片；

(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1.5h，在700℃高温烧结9h，随炉冷却后得到预烧的负热膨胀陶瓷材料sc1.5in0.5mo3o12。

(4)将步骤(3)中预烧得到的负热膨胀陶瓷材料sc1.5in0.5mo3o12再次放入玛瑙研钵中研磨1.5h，加入占前驱体总质量2％的聚乙烯醇，研磨30min混合均匀，然后在125mpa下冷等静压成型压片，然后置于1000℃高温烧结3h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料sc1.5in0.5mo3o12。

实施例3

(1)合成负热膨胀材料sc1.6in0.4mo3o12，以分析纯sc2o3、in2o3和moo3粉末为原料，按照摩尔比为sc2o3：in2o3：moo3＝0.8：0.2：3称取原料，混料后在去离子水中球磨6h，将球磨混合后的原料在150℃烘箱中烘干，将原料放入玛瑙研钵中混合研磨1h；

(2)将步骤(1)中研磨均匀的物料中加入占前驱体总质量3％的聚乙烯醇，研磨20min混合均匀，然后在25mpa下冷等静压成型压片；

(3)将步骤(2)中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1h，在650℃高温烧结12h，随炉冷却后得到预烧的负热膨胀陶瓷材料sc1.6in0.4mo3o12。

(4)将步骤(3)中预烧得到的负热膨胀陶瓷材料sc1.4in0.6mo3o12再次放入玛瑙研钵中研磨1h，加入占前驱体总质量3％的聚乙烯醇，研磨20min混合均匀，然后在150mpa下冷等静压成型压片，然后置于800℃高温烧结4h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料sc1.6in0.4mo3o12。

下图1是制备sc1.5in0.5mo3o12陶瓷的xrd图谱，从图中可知制备的sc1.5in0.5mo3o12为斜方相，具有较高纯度，不含杂质峰。图2是负热膨胀材料sc1.5in0.5mo3o12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sc1.5in0.5mo3o12的热膨胀曲线，表明该材料具有良好的负热膨胀性能，其热膨胀曲线其在室温到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--3.99×10^-6/k。