一种负热膨胀陶瓷材料Al2‑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Al2‑xScxMo3O12及其制备方法。其中0.35≤x≤0.45。属于无机非金属负热膨胀功能材料领域，该负热膨胀Al2‑xScxMo3O12陶瓷材料以分析纯Sc2O3、Al2O3和MoO3为原料，采用分步固相烧结法制备，按照一定的摩尔比通过对原料氧化物称量、混料球磨、成型、分布预烧最终在750‑800℃烧结，制备得到的斜方相负热膨胀材料Al2‑xScxMo3O12陶瓷，不含杂质相，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Al1.6Sc0.4Mo3O12陶瓷在室温到700℃的温度范围内，其线热膨胀系数为‑2.19×10

A negative thermal expansion ceramics Al2 xScxMo3O12 and preparation method thereof

The invention discloses a negative thermal expansion ceramics Al2 xScxMo3O12 and preparation method thereof. 0.35 = x = 0.45. Belongs to the field of functional material of inorganic non metal negative thermal expansion, using pure Sc2O3, Al2O3 and MoO3 as raw materials the negative thermal expansion of Al2 xScxMo3O12 ceramic material prepared by solid phase sintering, step by step, according to the molar ratio of raw materials through oxide weighing, mixing ball milling and molding, distribution of burn in the final 750 800 C sintering, prepared in the orthorhombic phase of negative thermal expansion material Al2 xScxMo3O12 ceramics, no impurity phase, compact structure, stable performance with negative thermal expansion at room temperature to the melting temperature range. For example, Al1.6Sc0.4Mo3O12 ceramics at room temperature to the temperature range of 700 DEG C, the linear thermal expansion coefficient for 2.19 * 10

【技术实现步骤摘要】
一种负热膨胀陶瓷材料Al2-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Al2-xScxMo3O12及其制备方法。
技术介绍
自然界大多数材料随着温度的变化发生“热胀冷缩”，但也有少数材料会发生“热缩冷胀”现象，这类材料称之为负热膨胀材料。负热膨胀材料在航空航天、微电子、光学和微机械等领域有着巨大的潜在应用前景。随着科技的发展，高精密器件对自身的精确尺寸要求越来越高，这对器件的功能也至关重要。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。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。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。当A为Y3+，Ho3+，Tm3+，Er3+，Yb3+，Lu3+元素时，该部分负热膨胀材料在空气中易吸湿，室温下热膨胀系数表现为正，随着温度升高，失去结晶水后，才表现为优异的负热膨胀特性，当温度降低到室温后又会吸湿，失去负热膨胀特性。这种易吸湿缺陷引起的热膨胀特性改变难以克服，阻碍其走向实际应用。然而当A为In3+，Fe3+，Cr3+，Al3+元素时，该部分负热膨胀材料则不吸湿潮解。这五种元素的钨酸盐和钼酸盐均包含单斜相和斜方相两种晶体结构，其中单斜相呈现正热膨胀，斜方相呈现负热膨胀。随着温度的变化，该系列材料均会发生单斜相向斜方相的转变。其中Al2Mo3O12从单斜相（正膨胀）到斜方相（负膨胀）的相转变温度为200℃。这种在室温以上由于相转变温度的改变，带来的热膨胀性能由正到负的改变，对其应用有着不利的影响，通过离子掺杂，将Al2Mo3O12的相变点移至室温以下，制备得到一种新型负热膨胀材料，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、合成成本低、制备工艺简单的新型负热膨胀材料Al2-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Al2-xScxMo3O12，该材料以Sc2O3、Al2O3和MoO3为原料，采用分步固相法合成制备，其中0.35≤x≤0.45。上述一种负热膨胀材料Al2-xScxMo3O12的制备方法，包括如下步骤：（1）合成Al2-xScxMo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Al2O3和MoO3粉末，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干24～36h，按照计量比称重Sc2O3、Al2O3和MoO3原料，在水中混合后球磨3-6h，将球磨混合后的原料在120～150℃烘箱中烘干，然后在600～750℃烧结6-12h；（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨1-2h,加入占前驱体总质量2～4%的聚乙烯醇，研磨20-40min使混合均匀，然后在100-150MPa下冷压成型压片；（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶0.5～1h，在750-1100℃高温烧结12～24h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Al2-xScxMo3O12。上述一种负热膨胀Al2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法中，步骤（1）中，原料Sc2O3、Al2O3和MoO3的摩尔比为x:2-x:6,0.35≤x≤0.45。上述一种负热膨胀Al2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法，步骤（1）中球磨时原料Sc2O3、Al2O3和MoO3的质量：玛瑙球：水的质量比为1:4:2。上述一种负热膨胀Al2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法中，步骤（2）中冷压成型过程中，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2min。上述一种负热膨胀Al2-xScxMo3O12陶瓷的制备方法中，步骤（1）和（3）中所述烧结在箱式炉中烧结，升温速率为7℃/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。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：以原料Sc2O3、Al2O3和MoO3的摩尔比为0.2:0.8:3为例，对本专利技术制备的负热膨胀材料Al1.6Sc0.4Mo3O12具体性能进行检测分析可以发现：制备样品为斜方相Al1.6Sc0.4Mo3O12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-2.19×10-6/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Al1.6Sc0.4Mo3O12的XRD图谱。图2为本专利技术负热膨胀材料Al1.6Sc0.4Mo3O12陶瓷的断面SEM图谱。图3为本专利技术负热膨胀材料Al1.6Sc0.4Mo3O12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）、Al2O3（分析纯）和MoO3（分析纯）。固相法制备负热膨胀材料Al2-xScxMo3O12，其中0.35≤x≤0.45，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Al1.6Sc0.4Mo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Al2O3和MoO3粉末，按照计量比称重Sc2O3:Al2O3:MoO3=0.2：0.8：3，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干24h，在水中混合后球磨3h，将球磨混合后的原料在120℃烘箱中烘干，然后在740℃烧结6h；（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨20min,加入占前驱体总质量2%的聚乙烯醇，研磨40min使混合均匀，然后在100MPa下冷压成型压片；（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1h，在800℃高温烧结18h，随炉冷却后得到负热膨胀陶瓷材料Al1.6Sc0.4Mo3O12。实施例2（1）合成Al1.62Sc0.38Mo3O12的原料为分析纯Sc2O3、Al2O3和MoO3粉末，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干28h，按照计量比称重Sc2O3:Al2O3:MoO3=0.19：0.81：3，在水中混合后球磨5h，将球磨混合后原料在130℃烘箱中烘干，然后在710℃烧结8h；（2）将步骤（1）中预烧的粉体用玛瑙研钵研磨10min,加入占前驱体总质量2.5%的聚乙烯醇，研磨30mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负热膨胀陶瓷材料Al2‑xScxMo3O12，其特征在于，该材料以Sc2O3、Al2O3和MoO3为原料，采用分步固相法合成制备，其中 0.35≤x≤0.45。

【技术特征摘要】
1.一种负热膨胀陶瓷材料Al2-xScxMo3O12，其特征在于，该材料以Sc2O3、Al2O3和MoO3为原料，采用分步固相法合成制备，其中0.35≤x≤0.45。2.一种权利要求1所述的负热膨胀陶瓷材料Al2-xScxMo3O12的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）以高纯度Sc2O3、Al2O3和MoO3为原料，称量前将原料置于180℃的烘箱中烘干24-36h，按照一定摩尔比称量原料，在水中混合后球磨3～6h，将球磨混合后的原料在120-150℃烘箱中烘干，然后在500～550℃烧结6～8h，随炉冷却后去除研磨20～50min，冷压成型后在710～740℃烧结6～8h；（2）将步骤（1）中预烧的样品用玛瑙研钵研磨10～20min,加入占前驱体总质量2～3%的聚乙烯醇，研磨20～40min使混合均匀，然后在100-150MPa下冷压成型压片；（3）将步骤（2）中压片后的物料，置于炉内在500℃排胶1～...

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