一种单相近零热膨胀材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种单相近零热膨胀材料及其制备方法和应用，属于无机非金属材料技术领域，本发明专利技术的单相近零热膨胀材料的化学式为Cd4‑

【技术实现步骤摘要】
一种单相近零热膨胀材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无机非金属材料
，特别涉及一种单相近零热膨胀材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]热胀冷缩，是自然界绝大多数材料所具备的基本性质。对于工作环境温度剧烈波动或敏感的设备或器件，材料热膨胀产生的热应力常会导致其性能的降低、信号失真，波束变形，结构破坏等。传统上，通过增加外部控温装置或设计复杂的结构或填充复合物来进行热效应的补偿，这不仅使得整个器件复杂性增加，提高了使用成本，也降低了系统可靠性。随着航天技术、高功率高精密激光技术、燃料电池正负极，高性能催化剂等现代高新技术的发展，急需克服热效应对其性能的约束，这急需发现新型的高热稳定性的材料来满足目前技术的需求。
[0003]近十余年主流的消除材料热效应的方法主要有三种：（1）基于Turner模型Levin模型等，将正、负热膨胀材料进行机械混合，通过调节正负热膨胀材料的比例实现近零膨胀（|热膨胀系数|＜2
×
10
‑6/K ，如锂铝硅酸盐微晶玻璃，ZrW2O8基，A2M3O
12
基陶瓷多相混合的近零热膨胀材料等。但机械混合法会因不同材料的界面接触，产生局部的热应力，降低近零膨胀复合材料的力/热学及机械性能。
[0004]（2）在负热膨胀材料里进行化学掺杂，通过调节掺杂元素的含量得到近零膨胀材料，如以ZrMo2O8为母体，用Sn部分替换Zr，得到的Zr
0.4
Sn
0.6
Mo2O8这一近零热膨胀材料。然而，化学掺杂法则受限于负热膨胀材料通常具备的开放式骨架，制备过程通常存在以下难以解决的问题：（a）相变或分解，如ZrW2O8只在1105℃
‑
1257℃范围内稳态存在，但低于该温度范围时，ZrW2O8具有转化为稳态的ZrO2和WO3，因此，其需要在高温下快速退火才可能保持其负热膨胀性能。ZrV2O7常温下为正膨胀材料，100℃以上才转变为负热膨胀材料；（b）反应物挥发导致制备不稳定，如MgZrF6，ScF3，A2Mo3O
12
等在合成温度附近，反应物存在严重的挥发，这使得每次实验结果的可重复性较低；（c）受限于母体材料本身的热膨胀性质，新材料的近零热膨胀温区较窄，如Fe[Co(CN)6]，Mn3Cu
0.5
Ge
0.5
N，TbCo
1.9
Fe
0.1
等，其近零热膨胀温区几乎都在室温之下（）。
[0005]（3）通过结构设计/探索，合成出的单一相的近零热膨胀材料如TaO2F，K6Cd3(C3N3O3)4，FeNi
36
，Zn4B6O
13
·
[Zn8(SiO4)(m
‑
BDC)6]n等，而这几种材料的近零膨胀温区也较窄，在室温附近。
[0006]因此，需要研究一种同时具备宽近零膨胀温区，化学和热力学稳定，可紫外透过的单相近零热膨胀材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于全部或部分解决上述消除材料热效应方法中存在的技术问题，提供一种化学式为Cd4‑
y
M
y
Al6O
12
XO4的单相近零热膨胀材料及其制备方法和应用，同时具备
宽的近零膨胀温区、化学/热力学稳定和可紫外透过性，在10K
‑
1400K可以稳定存在，没有相变或分解发生，具有非常高的应用前景。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术提供一种单相近零热膨胀材料，其化学式为Cd4‑
y
M
y
Al6O
12
XO4，为纯铝方钠石笼结构，其中，M为Fe，Zn，Hg，Mg，Cu，Ni，Co，Pb，Mn，Ca，Sr，和Ba中的任意一种，X为S或Mo，y的取值范围为0
‑
2。
[0009]优选地，其化学式为Cd4Al6O
12
SO4，其室温下的单胞参数为9.10206埃，空间群为I
‑
43m属于立方晶系，具备各项同性的热力学和光学性质；在10
‑
868K的温度区间内，使用X射线衍射技术测得的本征线性热膨胀系数为0.09
×
10
‑6/K；在波长280 nm到2500nm的范围内，具有90%以上的光透过率。
[0010]优选地，其化学式为Cd2Fe2Al6O
12
SO4，Cd2Zn2Al6O
12
SO4，Cd2Mg2Al6O
12
SO4，Cd2Hg2Al6O
12
SO4，Cd2Cu2Al6O
12
SO4，Cd2Ni2Al6O
12
SO4，Cd2Co2Al6O
12
SO4，Cd2Pb2Al6O
12
SO4，Cd2Mn2Al6O
12
SO4，Cd2Ca2Al6O
12
SO4，Cd2Sr2Al6O
12
SO4和Cd2Ba2Al6O
12
SO4中的任意一种，属于立方晶系，具备各项同性的热力学和光学性质。
[0011]优选地，其化学式为Cd2Fe2Al6O
12
MoO4，Cd2Zn2Al6O
12
MoO4，Cd2Mg2Al6O
12
MoO4，Cd2Hg2Al6O
12
MoO4，Cd2Cu2Al6O
12
MoO4，Cd2Ni2Al6O
12
MoO4，Cd2Co2Al6O
12
MoO4，Cd2Pb2Al6O
12
MoO4，Cd2Mn2Al6O
12
MoO4，Cd2Ca2Al6O
12
MoO4，Cd2Sr2Al6O
12
MoO4和Cd2Ba2Al6O
12
MoO4中的任意一种，属于立方晶系，具备各项同性的热力学和光学性质。
[0012]本专利技术还提供一种如上所述的单相近零热膨胀材料的制备方法，包括以下步骤：S1：将含有Cd，M，Al以及X
6+
的化合物按比例称重后充分研磨混合，在200～300℃下保温0.5～2天后，冷却至0～40℃，得到混合物I；S2：将混合物I继续研磨混合后，在400～500℃下保温0.5～3天后，冷却至0～40℃，得到混合物II；S3：将混合物II继续研磨混合后，在600～800℃下保温0.5～3天后，冷却至0～40℃，得到混合物III；S4：将混合物III继续研磨混合后，在700～900℃下保温0.5～3天后，冷却至0～40℃，得到混合物IV；S5：将混合物IV继续研磨混合后，在900～1000℃下保温1～5天后，冷却至0～40℃，得到Cd4‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单相近零热膨胀材料，其特征在于，其化学式为Cd4‑
y
M
y
Al6O
12
XO4，为纯铝方钠石笼结构，其中，M为Fe，Zn，Mg，Hg，Cu，Ni，Co，Pb，Mn，Ca，Sr，和Ba中的任意一种，X为S或Mo，y的取值范围为0
‑
2。2.根据权利要求1所述的单相近零热膨胀材料，其特征在于，其化学式为Cd4Al6O
12
SO4，其室温下的单胞参数为9.10206埃，空间群为I
‑
43m属于立方晶系，具备各项同性的热力学和光学性质；在10
‑
868K的温度区间内，使用X射线衍射技术测得的本征线性热膨胀系数为0.09
×
10
‑6/K；在波长280 nm到2500nm的范围内，具有90%以上的光透过率。3.根据权利要求1所述的单相近零热膨胀材料，其特征在于，其化学式为Cd2Fe2Al6O
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SO4，Cd2Zn2Al6O
12
SO4，Cd2Mg2Al6O
12
SO4，Cd2Hg2Al6O
12
SO4，Cd2Cu2Al6O
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SO4，Cd2Ni2Al6O
12
SO4，Cd2Co2Al6O
12
SO4，Cd2Pb2Al6O
12
SO4，Cd2Mn2Al6O
12
SO4，Cd2Ca2Al6O
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SO4，Cd2Sr2Al6O
12
SO4和Cd2Ba2Al6O
12
SO4中的任意一种，属于立方晶系，具备各项同性的热力学和光学性质。4.根据权利要求1所述的单相近零热膨胀材料，其特征在于，其化学式为Cd2Fe2Al6O
12
MoO4，Cd2Zn2Al6O
12
MoO4，Cd2Mg2Al6O
12
MoO4，Cd2Hg2Al6O
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MoO4，Cd2Cu2Al6O
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MoO4，Cd2Ni2Al6O
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MoO4，Cd2Co2Al6O
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MoO4，Cd2Pb2Al6O
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MoO4，Cd2Mn2Al6O
12
MoO4，Cd2Ca2Al6O
12
MoO4，Cd2Sr2Al6O
12
MoO4和Cd2Ba2Al6O
12
MoO4中的任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：林哲帅，柳友权，姜兴兴，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：