及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于负热膨胀无机功能材料领域，具体涉及一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2具012及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]负热膨胀材料主要有以下三个系列:AM207系列(A = Zr, Hf ；M = V，P) ；AM 20s系列(A = Zr, Hf ；M = ff, Mo) ;A2M3012系列(A = Sc, Yb, In, Y,等；M = ff, 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AM20s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；ΑΜ207系列的负热膨胀材料的负热膨胀在102°C以上才表现为负热膨胀。第三系列的A2M3012负热膨胀成员众多，负热膨胀各不相同。其中3(32胃3012是该系列中负热膨胀性能最为优异的种化合物，其在_10°C至950°C的温度范围内负热膨胀系数高达-5.82X 10 6K1o但是其原料稀土氧化物Sc203的价格非常高，从而导致该种负热膨胀的合成成本较高，难以投入实际应用，因此探寻一种价格低，负热膨胀性能优异的新型负热膨胀材料具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种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ScxIn2 XW3012及其制备方法，其中1彡X彡1.2。
[0005]上述一种负热膨胀材料ScxIn2 XW3012的制备方法，包括如下步骤:
[0006](1)合成ScxIn2具012的原料为分析纯Sc 203、Ιη203和W0 3粉末，按照计量比称重Sc203、ln203和W03，在酒精中混合后球磨12-24h，将球磨混合后原料在60?100°C烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5?lh。
[0007](2)在步骤⑴中球磨均匀的物料中加入占总质量2?5%的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在50-150MPa下冷压成型压片。
[0008](3)将步骤⑵中压片后的物料，在500°C排胶0.5?lh，在950?1150°C高温烧结12?24h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料ScxIn2 XW3012陶瓷；
[0009]上述一种负热膨胀ScxIn2具012陶瓷的制备方法中，步骤⑴中，原料Sc 203、Ιη203和W03的摩尔比为x:2-x:3, 1彡X彡1.2。
[0010]上述一种负热膨胀ScxIn2具012陶瓷的制备方法，步骤⑴中球磨时原料Sc 203、Ιη203和胃03的质量和:玛瑙球:酒精的质量比为1:3:1.5。
[0011]上述一种负热膨胀ScxIn2 XW3012陶瓷的制备方法中，步骤(2)中冷等静压成型过正中，分三阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/3和2/3大小处保压3min。
[0012]上述一种负热膨胀ScxIn2 XW3012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°C /min。
[0013]采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜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。
[0014]本发明与现有技术相比，其显著优点是:以原料Sc203、111203和103的摩尔比为1:1:3为例，对本发明制备的负热膨胀材料ScInW3012具体性能进行检测分析可以发现:制备样品为斜方相ScInW3012陶瓷，不含杂质峰，陶瓷结构致密，且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°C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-7.13X106K1o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】
[0015]图1为本发明负热膨胀材料ScInWA^ XRD图谱。
[0016]图2为本发明负热膨胀材料ScInWA^ SEM图谱。
[0017]图3为本发明负热膨胀材料ScInWA^热膨胀曲线。
【具体实施方式】
[0018]本实验所用原料为:Sc203 (分析纯)、Ιη203 (分析纯)和W03 (分析纯)。
[0019]固相法制备负热膨胀材料ScxIn2 XW3012，其中1彡x彡1.2，下面结合实例对本发明作进一步的描述。
[0020]实施例1
[0021 ] (1)合成负热膨胀材料ScInW3012，以分析纯Sc203、Ιη203和W0 3粉末为原料，按照摩尔比为Sc203:1n 203:W03= 1:1:3称取原料，在酒精中混合后球磨12h，将球磨混合后原料在60°C烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5h。
[0022](2)在步骤⑴中球磨均匀的物料中加入占总质量2%的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在50MPa下冷压成型压片。
[0023](3)将步骤⑵中压片后的物料，在500°C排胶0.5h，在950°C高温烧结24h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料ScInW3012陶瓷。
[0024]实施例2
[0025](1)合成负热膨胀材料SCl.Jn。.具012，以分析纯Sc203、Ιη203和W0 3粉末为原料，按照摩尔比为Sc203:1n 203:W03= 1.1:0.9:3称取原料，在酒精中混合后球磨18h，将球磨混合后原料在80°C烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.8h。
[0026](2)在步骤⑴中球磨均匀的物料中加入占总质量3%的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在lOOMPa下冷压成型压片。
[0027](3)将步骤(2)中压片后的物料，在500°C排胶0.8h，在1050°C高温烧结18h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料SCl.Jn。.具012陶瓷。
[0028]实施例3
[0029](1)合成负热膨胀材料SCl.2In。.具012，以分析纯Sc203、ln203和W0 3粉末为原料，按照摩尔比为Sc203:1n 203:W03= 1.2:0.8:3称取原料，在酒精中混合后球磨24h，将球磨混合后原料在100°C烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨lh。
[0030](2)在步骤⑴中球磨均匀的物料中加入占总质量5%的聚乙烯醇(PVA)，研磨使混合均匀，然后在150MPa下冷压成型压片。
[0031](3)将步骤⑵中压片后的物料，在500°C排胶lh，在1150°C高温烧结12h，随炉自然冷却后得到负热膨胀材料SCl.1 In。.9W3012陶瓷。
[〇〇32] 下图1是制备ScInW3012陶瓷的XRD图谱，从图中可知制备的ScInW3012为斜方相，具有较高纯度，不含杂质峰。ScInW3012陶瓷，不含杂质峰；图2是负热膨胀材料ScInW3012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ScInW3012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°C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-7.13X10 6K i。
【主权项】
1.一种负热膨胀陶瓷材料Sc xIn2具012，其特征在于，该材料以Sc203、Ιη203和WO 3为原料，米用固相法合成制备，其中1^Ξχ<1.2。2.一种权利要求1所述的负热膨胀陶瓷材料Sc xIn2 XW3012的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)以Sc203、Ιη203和W03为原料，在酒精中混合后球磨12?24h，将球磨混合后原料在60?100°C烘箱中烘干，然后再用玛瑙研钵研磨0.5?lh ; (2)将步骤⑴中球磨均匀的物料中加入占前驱体总质量2?5%的聚乙烯醇，研磨使混合均匀，然后在50-150MPa下冷压成型压片； (3)将步骤⑵中压片后的物料，置于炉内在500°C排胶0.5?lh，在950?1150°C高温烧结12?24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料ScxIn2 XW3012。3.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2 XW3012的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，原料Sc203、ln203和W03的摩尔比为x:2-x:3，1彡x彡1.2。4.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2 XW3012的制备方法，其特征在于，步骤(1)中球磨时原料Sc203、Ιη203和W03的质量:玛瑙球:酒精的质量比为1:3:1.5。5.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2 XW3012的制备方法，其特征在于，步骤(2)中冷压成型过程中，分三阶段逐步增压，分别在最终成型压力的1/3和2/3大小处保压3min06.权利要求2所述的负热膨胀陶瓷材料ScxIn2 XW3012的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为5°C/min。
【专利摘要】本发明公开了一种负热膨胀陶瓷材料ScxIn2-xW3O12及其制备方法。其中1≤x≤1.2。属于无机非金属负热膨胀功能材料领域，该负热膨胀ScxIn2-xW3O12陶瓷材料以Sc2O3、In2O3和WO3为原料，采用固相法制备，按照一定的摩尔比通过对原料氧化物称量、球磨、成型和在950-1200℃烧结，制备得到的负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12陶瓷结构致密，在室温到其熔点温度范围内具有稳定的负热膨胀性能。例如ScInW3O12陶瓷在室温到700℃的温度范围内，其线热膨胀系数为-5.97×10-6/K，热膨胀曲线近乎线性，无相变发生，热膨胀性能稳定，具有较好的负热膨胀性能，同时本发明所提供的制备负热膨胀材料ScxIn2-xW3O12的制备方法较为简单，制备周期短、成本低、环保无污染，因而具有较好的应用前景。
【IPC分类】C04B35/622, C04B35/495
【公开号】CN105254297
【申请号】CN201510632044
【发明人】刘红飞, 张志萍, 杨露, 马健, 曾祥华, 陈小兵
【申请人】扬州大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月29日