一种负热膨胀材料(Ni制造技术

本发明专利技术公开了一种负热膨胀材料(Ni1‑

【技术实现步骤摘要】
一种负热膨胀材料(Ni1‑
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Fe
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)1‑
δ
S及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种负热膨胀材料(Ni1‑
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Fe
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S及其制备方法。

技术介绍

[0002]热胀冷缩主要源于原子的非简谐振动，是多数材料的一种内禀属性。不同材料由于结构和组成元素上的差异，往往会呈现不同的热膨胀性质。因此当温度变化时，材料会发生尺寸变化，进而导致不同材料间产生热膨胀失配问题，这在很大程度上制约了包括电子封装、低温工程、光学器件、航空航天在内的诸多领域的快速发展。实现材料膨胀系数的可调控，是解决上述问题的关键。负热膨胀材料(材料随温度上升，体积缩小；温度下降，体积膨胀)正是在这样的研究背景下受到了广泛关注，将负热膨胀材料作为增强体与正热膨胀基体进行复合，理论上可以有效调控基体材料的热膨胀，甚至获得零膨胀效应。探索具有优异负热膨胀性能、综合物性协同优化的新型负热膨胀体系，一直是该领域关注的核心问题。
[0003]具有NiAs型六角结构的二元金属硫化物NiS是一种典型的电子相变材料体系，从上个世纪60年代就开始受到持续性关注。这种化合物当升温至相变温区后，会发生电子相变和磁相变，且伴随晶格收缩效应(体积变化量ΔV/V～2％)，使其成为潜在的负热膨胀材料体系。然而这类材料与反钙钛矿、La(Fe,Si)
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等一级相变材料体系相似，也存在着相变温区过窄的问题(ΔT～10K)。因此，寻找合适的方法拓宽其负热膨胀温区是这类材料作为负热膨胀材料获得应用的前提。而目前尚未见展宽NiS负热膨胀温区的相关报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述现有技术存在的问题，提供了一种新型负热膨胀材料(Ni1‑
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Fe
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S及其制备方法。本专利技术有效拓宽了NiS体系的负热膨胀温区，制备获得性能优异的负热膨胀新材料。
[0005]本专利技术基于NiS体系，一方面，通过在Ni位进行Fe元素替代，升高相变温度；另一方面，进一步引入阳离子缺位诱导产生纳米共生相，进而在母相晶格中引入晶格应力场，有效展宽负热膨胀温区，最终获得跨室温的宽温区、巨负热膨胀效应。
[0006]本专利技术负热膨胀材料(Ni1‑
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Fe
x
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S，是基于NiS体系，在Ni位进行Fe元素替代，并通过引入阳离子缺位诱导产生纳米共生相，进而在母相晶格中引入晶格应力场，最终获得跨室温的宽温区、巨负热膨胀效应的复合材料。
[0007]其中，0＜x≤0.5，0＜δ≤0.14；优选为0＜x≤0.3，0.04≤δ≤0.14；进一步优选为x＝0.25
‑
0.3，δ＝0.04
‑
0.14。
[0008]本专利技术负热膨胀材料(Ni1‑
x
Fe
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)1‑
δ
S的制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：首先将纯度为99.9％的Ni粉、99.99％的Fe粉和99.999％的S粉按所需比例混合均匀，仔细研磨后冷压成片密封于真空度为10
‑4Pa的石英管中，在723K的温度下烧结3天，然后缓慢升温至1223K烧结5天；烧结结束后炉冷至室温，取出样品，仔细研磨，冷压成块，再次密封于真空度为10
‑4Pa的石英管中。
[0010]步骤2：
[0011]2a、将密封好的样品在973K的温度下退火8天，然后在冰水中淬火即可得到具有六角结构的(Ni1‑
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Fe
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S多晶样品；
[0012]2b、将密封好的样品在1420K的温度下加热5天，然后以1K/小时的速度缓慢降温至973K，然后在冰水中淬火，可得到(Ni1‑
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Fe
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S单晶样品。
[0013]本专利技术通过Fe替代Ni，制备了质量较高的(Ni1‑
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Fe
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S(δ＝0、0≤x≤0.25)多晶样品(图1a)，应变测试结果表明随Fe替代量增加，相变温度显著升高，但相变温区未被显著展宽(图2a)。在Fe替代量为0.25的基础上，进一步引入阳离子缺位，制备了(Ni1‑
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Fe
x
)1‑
δ
S(x＝0.25、0.04≤δ≤0.14)多晶样品(图1b)。应变测试结果表明随阳离子缺位量增加，负热膨胀温区逐渐向低温移动且显著展宽：缺位量为0.06、0.08和0.1的样品在174K
‑
286K、66K
‑
237K和31K
‑
188K温区范围内负热膨胀系数分别为
‑
55.9ppm/K、
‑
27.6ppm/K和
‑
18.3ppm/K(图2b)。考虑到其工作温区未能很好涵盖室温区域，因此又在Fe替代量为0.3的基础上引入阳离子缺位，制备(Ni1‑
x
Fe
x
)1‑
δ
S(x＝0.3、0.06≤δ≤0.1)多晶样品(图1c)，应变测试结果表明随阳离子缺位量增加，负热膨胀温区也逐渐向低温移动且显著展宽：缺位量为0.06、0.07和0.08三个样品在234K
‑
316K、171K
‑
299K和19K
‑
261K温区范围内负热膨胀系数分别为
‑
64.3ppm/K、
‑
44.9ppm/K和
‑
17.8ppm/K(图2c)。该类材料优异的负热膨胀性能已经接近MnCoGe、BiNiO3等巨负热膨胀材料体系。此外，热导率测试结果表明(图3)，x＝0.3、δ＝0.07和x＝0.3、δ＝0.08两个样品在室温下的热导率可达到7W K
‑1m
‑1，这对于其未来在热管理场景的应用是非常有利的。
[0014]为了探究该类材料负热膨胀温区展宽的物理原因，我们制备了x＝0、δ＝0，x＝0.3、δ＝0.05和x＝0.3、δ＝0.1等三个单晶样品。三个样品经轻微敲击，容易破碎成为“沿NiAs型六角结构(002)和(004)取向”的片状形态(图4a)。将该单晶样品进一步破碎成颗粒状，其XRD衍射结果与多晶样品基本一致(图4b)。为了进一步研究阳离子缺位对于相变行为的影响，我们对三个样品进行了变温XRD测试(图5)。基于变温XRD结果进行拟合，我们获得了x＝0、δ＝0和x＝0.3、δ＝0.1两个样品的热膨胀曲线；基于应变测试获得了x＝0.3、δ＝0.05的热膨胀曲线(此样品某些方向的XRD峰形畸变，无法拟合获得晶格参数)。结果表明：单晶样品与多晶样品展现了相似的热膨胀演化规律：随阳离子缺位量增加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负热膨胀材料(Ni1‑
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Fe
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)1‑
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S，其特征在于：基于NiS体系，在Ni位进行Fe元素替代，并通过引入阳离子缺位诱导产生纳米共生相，进而在母相晶格中引入晶格应力场，最终获得跨室温的宽温区、巨负热膨胀效应的复合材料。2.根据权利要求1所述的负热膨胀材料(Ni1‑
x
Fe
x
)1‑
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S，其特征在于：0＜x≤0.5，0＜δ≤0.14。3.一种权利要求1或2所述的负热膨胀材料(Ni1‑
x
Fe
x
)1‑
δ
S的制备方法，其特征在于包括如下步骤：首先将Ni粉、Fe粉和S粉按所需比例混合均匀，仔细研磨后冷压成片密封于真空度为10
‑4Pa的石英管中，在723K的温度下烧结3天，然后缓慢升温至1223K烧结5天；烧结结束后炉冷至室温，取出样品，仔细研磨，冷压成块，再次密封于真空度为10
‑4Pa的石英管中，经退火、淬火后获得负热膨胀材料(Ni1‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：林建超，童鹏，孙玉平，王萌，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：