具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料制造技术

一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料，该材料在２２０Ｋ＜Ｔ＜３４２Ｋ温区内具有近零热膨胀效应，并且在３４２Ｋ＜Ｔ＜３６３Ｋ具有负热膨胀特性，其分子式为Ｍｎ３Ｚｎ０．７Ｓｎ０．３Ｎ，由Ｍｎ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｎ三种元素组成，其原子配比为Ｍｎ∶Ｚｎ∶Ｓｎ∶Ｎ＝３０∶７∶３∶１０，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。其制备方法是：（１）称取预定量的锰粉放入管式氮化炉中，在高纯氮气氛下，从室温升至３００℃；再以１０℃／分钟的速率升温至７５０℃，保温５０小时，合成Ｍｎ２Ｎ；（２）按照摩尔比Ｍｎ２Ｎ∶Ｚｎ∶Ｓｎ＝１５∶７∶３，称取Ｍｎ２Ｎ、Ｚｎ粉和Ｓｎ粉，混合均匀，研磨１小时；（３）将粉末压成片状；（４）将其装入石英管中并同时抽真空至１０－５Ｐａ，封闭石英管；（５）将石英管放进高温炉中，升温至８００℃，保温７２小时，关闭电源，冷却至室温，即可得到Ｍｎ３Ｚｎ０．７Ｓｎ０．３Ｎ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料，特别涉及一种在室温附近具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料，该类材料 各向同性，导热导电，机械强度高，因此在航空航天，建筑材料，光学元件，微电子器件，光纤 通讯等领域具有很高的应用前景，属于无机材料
(二)
技术介绍
近零或零膨胀是当前材料科学研究的热点之一，随着温度的变化这类材料的体积 不发生变化或者变化很微小，具有很高的研究与实际应用价值。近零或零膨胀材料由于热 膨胀受温度影响小，具有显著的耐热冲击性能。随着科技的发展，将广泛用于精密机械和精 密光学部件领域，如航空航天、建筑材料、封装材料、计算机芯片、微电子器件，光信息传播 器件、光纤通讯等领域。目前，已报道的大部分此类材料是通过组合正负热膨胀材料复合得 到，如ZrW20s基复合材料。然而这类材料有其自身的弱点，如制造工艺复杂，成本高，机械 强度低等。尽管也有一些关于零膨胀合金材料的报道，如因瓦合金类，但由于存在各向异 性，成本高，温度范围不合适，易氧化等问题，应用具有一定的局限性。 反钙钛矿结构锰氮化合物是一种新型的具有奇异热膨胀性能的材料，其分子式为 Mn3XN{X为镓(Ga)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)或锡(Sn)等}。该晶体结构中，Mn原子位于 立方晶胞的面心，X原子位于顶角位置，N原子位于体心位置，因此人们又称其为反钙钛矿 结构。依赖于温度变化，该类化合物的磁输运、电输运，热膨胀行为会发生奇特的变化，已 引起学术界和工业界的广泛关注。 通过对该类材料的研究，我们发现部分反钙钛矿结构材料，随着温度的升高，在某 一温区，其晶胞常数随温度变化很小或几乎不变，显示近零或零膨胀效应。这类零膨胀材料 由单一物质构成，易于制备，性能也较稳定，对高精度仪器设备的开发具有重要意义。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合 物材料，它不仅具有近零膨胀特性，且同时具有负热膨胀特性。该材料可用于航空航天，建 筑材料，光学元件，微电子器件，光纤通讯等领域。 本专利技术一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料，特别是 同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物固体材料，其分子 式为Mn3Zn。.7Sn。.3N，由Mn， Zn， Sn， N三种元素组成，其原子配比为Mn : Zn : Sn : N =30 : 7 : 3 : io，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。本专利技术中的锰锌锡氮四元化合物(Mn3Zn。. 7Sn。. 3N)，在250K < T < 342K温区内，其 晶胞常数随温度的增加几乎保持不变，显示为近零膨胀效应，如图1所示。 本专利技术发现的近零膨胀行为属各向同性，温区在室温上下，区间达到92K左右。 本专利技术中的Mri3Zn。.7Sn。.3N化合物，在342K < T < 363K温区内，，具有明显的大的晶格收縮现象，即负热膨胀效应，如图1所示。 本专利技术一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备方 法，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备 方法，它包括以下步骤 (1)按预定计划的要求称取纯度为99.9%的锰粉，然后将其放入管式氮化炉中， 在纯度为99. 99%的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以5°C /分钟的速率从室温升至 300°C ;再以10°C /分钟的速率升温至75(TC，保温50小时；关闭电源，随炉冷却，合成氮化 锰(Mn2N); (2)按照摩尔比Mri2N : Zn : Sn = 15 : 7 : 3的比例，称取Mn2N， Zn粉和Sn粉， 将其在玛瑙研钵中混合均匀，研磨1小时以上； (3)使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状； (4)将压制成片状的样品装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统，抽真空至 10—spa，然后封闭石英管； (5)将封闭好的石英管放进高温炉中，以每分钟l(TC的速率升温至80(TC，在此温 度下保温72小时，关闭电源，随炉冷却至室温； (6)将石英管敲碎，取出样品，即可得到目标产物Mn3Zn。.7Sn。.3N。 本专利技术具有如下优点 本专利技术一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料，它实现了 在单一物质中获得近零膨胀，不需要通过正负热膨胀材料复合。该类材料的近零或零热膨 胀性能是各向同性的，结构很稳定，即使反复升降温，也不易产生缺陷和变形；这种材料还 表现出了高导电性和高导热性等金属特性；具有与铁和铝等金属材料匹敌的机械强度；主 要原料不仅价格便宜，而且具有良好环保性。(四) 附图说明 图1为Mn3Zn。.7Sn。. 3N晶胞常数随温度变化曲线。(五) 具体实施例方式本专利技术一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料，特别是 同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物固体材料，其分子 式为Mn3Zn。.7Sn。.3N，由Mn， Zn， Sn， N三种元素组成，其原子配比为Mn : Zn : Sn : N =30 : 7 : 3 : io，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。 本专利技术一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备方法，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备方法，它包括以下步骤 (1)称取一定量的锰粉(纯度为99. 9% )，然后将其放入管式氮化炉中，在纯度为 99. 99%的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以5°C /分钟的速率从室温升至30(TC;再以 l(TC /分钟的速率升温至75(TC，保温50小时；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锰(Mn2N); (2)按照摩尔比Mri2N : Zn : Sn = 15 : 7 : 3的比例，称取一定量的氮化锰，锌 粉和锡粉，总量在10g左右，将其在玛瑙研钵中混合均匀，研磨1小时以上； (3)使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状； (4)将压制成片状的样品装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统，抽真空至 10—spa，然后封闭石英管； (5)将封闭好的石英管放进高温炉中，以每分钟l(TC的速率升温至80(TC，在此温 度下保温72小时，关闭电源，随炉冷却至室温； (6)将石英管敲碎，取出样品，即可得到目标产物Mn3Zn。.7Sn。.3N。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料，其特征在于：该材料在２２０Ｋ＜Ｔ＜３４２Ｋ温区内具有近零热膨胀效应，并且在３４２Ｋ＜Ｔ＜３６３Ｋ具有负热膨胀特性，其分子式为Ｍｎ↓［３］Ｚｎ↓［０．７］Ｓｎ↓［０．３］Ｎ，由Ｍｎ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｎ三种元素组成，其原子配比为Ｍｎ∶Ｚｎ∶Ｓｎ∶Ｎ＝３０∶７∶３∶１０，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。

【技术特征摘要】
一种具有近零热膨胀特性的“反钙钛矿结构”金属间化合物材料，其特征在于该材料在220K＜T＜342K温区内具有近零热膨胀效应，并且在342K＜T＜363K具有负热膨胀特性，其分子式为Mn3Zn0.7Sn0.3N，由Mn，Zn，Sn，N三种元素组成，其原子配比为Mn∶Zn∶Sn∶N＝30∶7∶3∶10，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。2. 根据权利要求1所述的一种具有近零热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备方法，特别是同时具有近零膨胀和负热膨胀特性的反钙钛矿结构金属间化合物材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤(1) 按预定计划的要求称取纯度为99.9%的锰粉，然后将其放入管式氮化炉中，在纯度为99. 99%的流动氮气的气氛下进行热处理，首先以...

【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，孙莹，褚立华，温永春，聂曼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]