一种可调热膨胀材料Sc2-xTixMo3-xVxO12及其制备方法

本发明属于热膨胀材料领域，具体涉及一种可调热膨胀材料sc2- xti xmo3- xv xo12及其制备方法。

背景技术：

1、近零热膨胀材料在精密光学、光电子、纳米材料等领域尤为需要。这是因为大多数材料在加热时膨胀，可能会引起热应力，导致器件失效。为了解决这一问题，人们对负热膨胀(nte)材料进行了广泛的研究，这种材料可以与正热膨胀材料结合或通过化学方法进行定制，以获得接近零热膨胀的材料。已经发现了am2o7(a=zr或hf；m=v或p)，am2o8 (a=zr或hf；m=w或mo)和a2m3o12(a=过渡金属或稀土；m=w或mo)。在具有柔性框架结构的材料中，a2m3o12家族材料在较宽的温度范围内表现出稳定的nte。此外，a2m3o12的热膨胀系数(cte)可以通过改变阳离子取代的类型和含量来调节，这为制备cte可调的材料，特别是零cte的材料提供了可能。低热膨胀和近零膨胀材料拥有比普通材料更小的膨胀系数，因而可以表现出更强的抗热冲击能力，具有很大的应用潜力。早期关于低热膨胀的材料的报道，如invar合金、sio2-tio2玻璃等，都已在各种需要高热稳定性的领域得到广泛应用。此类报道甚至早于对负热膨胀材料的研究，后来对负热膨胀材料的研究也同时推动了低热膨胀材料的研究进程。

2、虽然已经报道了一些nte材料，但由于已知nte材料的性能局限性，如nte的温度范围狭窄或温度范围不合适，某些材料的吸湿性和相变温度不合适等，它们仍然非常有限，远远不能满足各种器件的要求。要从根本上解决由热膨胀现象所引起的一系列问题，必须精确调控材料的热膨胀系数，设计出低热膨胀甚至近零膨胀材料。为了设计出低热膨胀和近零膨胀材料，通过部分取代负热膨胀材料的原子，从而得到低热膨胀和近零膨胀材料。对a2b3o12负热膨胀材料的研究中，调控材料的热膨胀性能是研究的一个热点。并且对于a2b3o12负热膨胀材料来说，这种方法也是比较容易实现的。a2b3o12负热膨胀材料中可以进行a位离子替代，比如sc2mo3o12的a位置可以被zr4+，mg2+或hf4+，mn2+同时取代，合成的样品可以用于从白光发射二极管到耐热冲击元件等不同的应用；fe2mo3o12的a位置可以被er3+、cr3+、al3+部分取代，合成的样品具有低热膨胀的性能；in2w3o12的a位置可以被er3+，sc3+部分取代，合成的样品具有不同的热膨胀区间。另外a2b3o12负热膨胀材料b位置也可以进行离子取代，b位置可以被w6+或p5+离子取代，对合成的样品的热膨胀性能也能够造成很大的影响；此外，a位置和b位置也可以同时被双离子取代。事实上，尽管在调整nte材料的性能方面已经做出了许多努力，但在工程中适用的nte材料要少得多，开发更多具有优异nte性能的新型材料在科学和技术上都具有特别重要的意义。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种可调热膨胀材料sc2- xti xmo3- xv xo12及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种可调热膨胀材料，其分子式为sc2- xti xmo3- xv xo12，其中0.00＜x≤0.75。

4、可调热膨胀材料的制备方法，制备步骤如下：

5、（1）、选取sc2o3、tio2、moo3和v2o5为原料，将sc2o3、tio2、moo3和v2o5按照目标产物sc2- xti xmo3- xv xo12中化学计量摩尔比sc∶ti∶mo∶v=（2-x）∶x∶（3-x）∶x研磨混合均匀；

6、（2）、将步骤（1）所得混合粉末直接或压片后送去烧结，500-800℃烧结6-24h，冷却至室温后，得到目标产物sc2- xti xmo3- xv xo12。

7、较好地，步骤（1）中，采用湿法研磨，研磨原料时加入有乙醇，加入量以润湿sc2o3、tio2、moo3和v2o5为准。

8、较好地，sc2o3、tio2、moo3和v2o5原料的质量纯度均为99-99.99%。

9、较好地，步骤（2）中，升温速率为5-10℃/min。

10、较好地，步骤（2）中，压片时将混合粉末压制成为直径8-10mm、高3-6mm的圆柱形素胚。

11、较好地，步骤（2）中，压片时，压力为4-10mpa，保压时间为2-5min。

12、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明首次提出了一种分子式为sc2- xti xmo3- xv xo12的热膨胀材料，其中0.00＜x≤0.75，并对其进行了结构表征和热膨胀性质研究，研究结果表明这种设计思路是可行的，当该材料x从0逐渐增大时，热膨胀系数也同时变大并在x=0.75时整体上表现为近零膨胀性质；当x=0时为基体材料sc2mo3o12，一步烧结时制备的块体不牢固无法满足线性热膨胀测试要求，故采用两步烧结法，而采用双金属元素取代之后样品更为致密采用一步烧结即可满足线性热膨胀测试条件，简便了制备步骤；本发明的材料随着ti和v元素的取代量增多，煅烧温度随之下降，更有助于节约能源，便于制备；本发明的可调热膨胀材料有从负到近零的热膨胀系数，好的稳定性，应用广泛，同时制备工艺简单，成本低，适合于工业化生产，可望在生物医用材料、航空航天装备、精密仪器等高技术领域获得应用。

技术特征：

1.一种可调热膨胀材料，其特征在于：其分子式为sc2-xtixmo3-xvxo12，其中0.00＜x≤0.75。

2.一种如权利要求1所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

3.如权利要求2所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，采用湿法研磨，研磨原料时加入有乙醇，加入量以润湿sc2o3、tio2、moo3和v2o5为准。

4.如权利要求2所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于：sc2o3、tio2、moo3和v2o5原料的质量纯度均为99-99.99%。

5.如权利要求2所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，升温速率为5-10℃/min。

6.如权利要求2所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，压片时将混合粉末压制成为直径8-10mm、高3-6mm的圆柱形素胚。

7.如权利要求2或6所述的可调热膨胀材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，压片时，压力为4-10mpa，保压时间为2-5min。

技术总结
本发明属于热膨胀材料领域，公开一种可调热膨胀材料Sc<subgt;2‑x</subgt;Ti<subgt;x</subgt;Mo<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;x</subgt;O<subgt;12</subgt;及其制备方法。其分子式为Sc<subgt;2‑x</subgt;Ti<subgt;x</subgt;Mo<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;x</subgt;O<subgt;12</subgt;，其中0.00＜x≤0.75。制备步骤如下：（1）、选取Sc<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、TiO<subgt;2</subgt;、MoO<subgt;3</subgt;和V<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;为原料，将Sc<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、TiO<subgt;2</subgt;、MoO<subgt;3</subgt;和V<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;按照目标产物Sc<subgt;2‑x</subgt;Ti<subgt;x</subgt;Mo<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;x</subgt;O<subgt;12</subgt;中化学计量摩尔比Sc∶Ti∶Mo∶V=（2‑x）∶x∶（3‑x）∶x研磨混合均匀；（2）、将步骤（1）所得混合粉末直接或压片后送去烧结，500‑800℃烧结6‑24h，冷却至室温后，得到目标产物Sc<subgt;2‑x</subgt;Ti<subgt;x</subgt;Mo<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;x</subgt;O<subgt;12</subgt;。本发明首次提出了一种分子式为Sc<subgt;2‑x</subgt;Ti<subgt;x</subgt;Mo<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;x</subgt;O<subgt;12</subgt;的热膨胀材料，当该材料x从0逐渐增大时，热膨胀系数也同时变大并在x=0.75时整体上表现为近零膨胀性质。

技术研发人员：高其龙,苗琦,陈鑫,乔永强,史新伟
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15