一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑xScxMo3O12及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑xScxMo3O12及其制备方法。其中1.4≤x≤1.6。属于无机非金属功能材料领域，该负热膨胀Fe2‑xScxMo3O12陶瓷材料以分析纯Sc2O3、Fe2O3和MoO3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、混料、球磨、成型和在750‑1200℃烧结，制备得到的斜方向负热膨胀材料Fe2‑xScxMo3O12陶瓷，其结构致密，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Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷在室温到700℃的温度范围内，其线热膨胀系数为‑5.70×10

A negative thermal expansion ceramics Fe2 xScxMo3O12 and preparation method thereof

The invention discloses a negative thermal expansion ceramics Fe2 xScxMo3O12 and preparation method thereof. 1.4 = x = 1.6. Belongs to the field of inorganic non metallic functional materials, using pure Sc2O3, Fe2O3 and MoO3 as raw materials the negative thermal expansion of Fe2 xScxMo3O12 ceramics were prepared by solid phase, according to the molar ratio of raw materials, through weighing, mixing, milling oxide, and forming in 750 1200 degrees oblique direction of sintering, prepared negative thermal expansion material Fe2 xScxMo3O12 ceramics, its structure is compact, with negative thermal expansion properties of stability at room temperature to its melting temperature range. For example, Fe0.5Sc1.5Mo3O12 ceramics at room temperature to the temperature range of 700 DEG C, the linear thermal expansion coefficient for 5.70 * 10

【技术实现步骤摘要】
一种负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12及其制备方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术与现有技术相比，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，对本专利技术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为本专利技术负热膨胀材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12的XRD图谱。图2为本专利技术负热膨胀材料Fe0.5Sc1.5Mo3O12陶瓷的SEM图谱。图3为本专利技术负热膨胀材料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，下面结合实例对本专利技术作进一步的描述。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Sc1.5Fe0.5Mo3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负热膨胀陶瓷材料Fe2‑xScxMo3O12，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12，其特征在于，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。2.一种权利要求1所述的负热膨胀陶瓷材料Fe2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以分析纯MoO3、Sc2O3、Fe2O3为原料，称量前将原料置于120℃的烘箱中烘干6～12h，按照一定摩尔比称量原料，在水中混合后球磨3～9h，烘干，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℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红飞，刘梦杰，郑倩，张志萍，曾祥华，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32