[發(fā)明專利]一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料及其制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410243116.8
• 申請(qǐng)日: 2014-06-03
• 公開（公告）號(hào): CN104016346A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫永春;王聰;孫瑩;余德洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鹽城工學(xué)院
• 主分類號(hào): C01B31/30
• 分類號(hào): C01B31/30
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無機(jī)合成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料及其制備方法。

背景技術(shù)

通常固體材料均具有熱脹冷縮的特性，然而在一些特殊使用情況下希望材料具有負(fù)膨脹或零膨脹的特殊物理性能，因此，負(fù)膨脹材料是當(dāng)前材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題之一。所謂負(fù)膨脹性能，是指在某一溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，材料的長(zhǎng)度或體積減小。因?yàn)檫@類材料能夠用于調(diào)節(jié)某些關(guān)鍵部件的膨脹系數(shù)，所以具有很高的研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有此性質(zhì)的材料將廣泛用于精密機(jī)械和精密光學(xué)部件領(lǐng)域，如航空航天、IC芯片、微電子器件、封裝材料、光信息傳播器件、光纖通訊等領(lǐng)域。目前，已報(bào)道的此類材料存在難以克服的弱點(diǎn)，如ZrW₂O₈材料，不導(dǎo)電，制備成本高，機(jī)械強(qiáng)度低等，還有因瓦合金存在各向異性，成本高，易氧化等問題，應(yīng)用受到了限制。

類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳碳化合物是一種新型的具有奇異熱膨脹性能的材料，其分子式為Mn₃XC(X為Sn,Zn,Ga,Zn,Ni等元素)。在晶體結(jié)構(gòu)上，Mn原子位于立方晶胞的面心，C原子位于體心位置，X原子位頂角位置，因?yàn)殁}鈦礦化合物氧原子在面心位置，而體心是金屬元素，所以人們又稱此類物質(zhì)為“反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)”。除了負(fù)熱膨脹性能以外，此類材料在磁性、電輸運(yùn)和磁阻等方面也具有奇特的表現(xiàn)，也已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。

通過對(duì)該類材料的研究，發(fā)現(xiàn)部分類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，隨著溫度升高，在某一溫度區(qū)間，其晶格常數(shù)隨溫度負(fù)增長(zhǎng)，或變化很小。這類材料由單一物質(zhì)構(gòu)成，易于制備，性能穩(wěn)定，尤其是其電阻率與半導(dǎo)體材料相近，對(duì)高精度儀器設(shè)備的開發(fā)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于制備一種具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固體材料及其制備方法。該材料可用于航空航天、高精度光學(xué)元件，微電子器件，光纖通訊等領(lǐng)域。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料的分子式為Mn₃SnC_x，其原子比為Mn:Sn:C＝3:1:x，x＝0.6～1.2。

所述的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料的晶體結(jié)構(gòu)為類鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。

制備本發(fā)明的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料的方法的具體步驟如下：

(1)按化學(xué)計(jì)量比稱取錳粉、錫粉和石墨粉；

(2)將三種粉末在研缽中研磨1小時(shí)以上，充分混合均勻；

(3)將混合均勻的粉末使用不銹鋼模具和壓片機(jī)將粉末壓制成片狀；

(4)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中，然后將石英管接到分子泵上，抽真空，當(dāng)真空達(dá)到10^-4Pa時(shí)，使用氧炔焰熔化石英管使用密封；

(5)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi)，以每分鐘5-15℃的速度升溫到600-1000℃，并在此溫度保溫80-120小時(shí)，然后隨爐冷卻；

(6)冷卻后將石英管打碎，把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出，用壓力機(jī)將之壓碎；

(7)將壓碎的樣品放入瑪瑙研缽，研磨1小時(shí)以上，得到均勻細(xì)小的粉末，粒度分布在10-50μm；

(8)將研磨好的中間產(chǎn)物粉末使用壓片機(jī)和模具壓成片；

(9)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中，然后將石英管接到分子泵上，抽真空，當(dāng)真空達(dá)到10^-4Pa時(shí)，使用氧炔焰熔化石英管使用密封；

(10)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi)，以每分鐘5-15℃的速度升溫到600-1000℃，并在此溫度保溫60-90小時(shí)，然后隨爐冷卻；

(11)冷卻后將石英管打碎，把樣品從石英管中取出，即得到類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體材料。

步驟(1)中，錳粉、錫粉和石墨粉的純度均為3N或以上。

步驟(3)中，壓力為20MPa。

步驟(5)中，優(yōu)選以每分鐘10℃的速度升溫到800℃，并在此溫度保溫100小時(shí)。

步驟(8)中，壓力為20MPa。

步驟(10)中，優(yōu)選以每分鐘10℃的速度升溫到800℃，并在此溫度保溫72小時(shí)。

本發(fā)明的積極效果如下：

(1)該材料在120-300K較寬溫度范圍內(nèi)具有負(fù)熱膨脹性能，熱膨脹系數(shù)為37.2×10^-4K^-1；

(2)該材料的負(fù)熱膨脹性能是各向同性的，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

(3)該材料電阻率為0.45mΩ·cm，接近半導(dǎo)體材料的最小電阻率范圍；