[發(fā)明專利]一種新型負(fù)熱膨脹陶瓷Zr2W2P2O15及其燒結(jié)合成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510216407.2
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN105272199B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁二軍;袁保合;程永光;葛向紅;陳冬霞;晁明舉
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州大學(xué)
• 主分類號: C04B35/447
• 分類號: C04B35/447;C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務(wù)所(普通合伙)41131
• 代理人: 張智偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，特別涉及了一種新型負(fù)熱膨脹陶瓷Zr₂W₂P₂O₁₅及其燒結(jié)合成方法。

背景技術(shù)

絕大多數(shù)材料具有熱脹冷縮性質(zhì)，熱脹冷縮和膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的熱應(yīng)力或熱沖擊常會導(dǎo)致材料或器件疲勞、性能下降、臨時性或永久性失效、斷裂和脫落，由此造成材料和器件的大量浪費(fèi)甚至災(zāi)難性后果，如保證高功率激光穩(wěn)定工作的冷卻系統(tǒng)、大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)補(bǔ)償溫度引起焦距變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光通信系統(tǒng)防止布拉格光纖光柵中心波長漂移的恒溫系統(tǒng)、航天器載儀器的恒溫系統(tǒng)、航天飛機(jī)返回大氣層時劇烈熱沖擊使隔熱瓦脫落引發(fā)的災(zāi)難等。由于熱效應(yīng)無時無處不在，是自然界中的一種普遍而棘手現(xiàn)象，對于精密器件和極端條件下的器件，通常必須采用外部恒定的溫度控制或非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來進(jìn)行補(bǔ)償，不僅增加系統(tǒng)的體積、重量和加工的復(fù)雜性，同時也使成本增加。隨著空間技術(shù)、高功率高精密激光技術(shù)、固體氧化物燃料電池等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料和器件在極端條件下的性能提出了新的挑戰(zhàn)。高性能、寬溫區(qū)具有零膨脹和可控膨脹特性的材料是設(shè)計(jì)和制造零膨脹和可控膨脹的功能-結(jié)構(gòu)一體化器件、解決現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中許多難題的關(guān)鍵所在。而寬溫區(qū)的性能優(yōu)異的負(fù)熱膨脹材料是設(shè)計(jì)和制備零膨脹和膨脹系數(shù)可控材料的關(guān)鍵，因此負(fù)熱膨脹材料受到越來越多的關(guān)注。近十余年來發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹有ZrW₂O₈、ZrV₂O₇、A₂M₃O₁₂(A=3價(jià)過渡金屬或稀土；M=W或Mo)、ScF₃、Zr₂W P₂O₁₂、HfMgW₃O₁₂等。ZrW₂O₈在室溫下為亞穩(wěn)相材料，與其他材料復(fù)合時易發(fā)生分解；ZrV₂O₇在室溫下為3×3×3的超晶胞結(jié)構(gòu)，只有在102℃以上才轉(zhuǎn)變?yōu)?×1×1的正常結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹；A₂M₃O₁₂系列材料只有正交相才具有負(fù)熱膨脹性質(zhì)。一般來說，當(dāng)A³⁺離子半徑較小（如A=Al, Fe, Cr, In）時，室溫下結(jié)晶為單斜相，只有在高溫下才轉(zhuǎn)化為正交結(jié)構(gòu)；當(dāng)A³⁺離子半徑較大（A=Lu, Yb, Y）時，室溫下雖然是正交結(jié)構(gòu)，但是具有較強(qiáng)的吸水性，只有隨著溫度升高完全失去結(jié)晶水后，才表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹特性。結(jié)晶水的吸附與釋放同時引起材料的巨大收縮和膨脹，使其力學(xué)性能變差，制約其應(yīng)用(E. J. Liang, Negative thermal expansion materials and their applications: a survey of recent patents, Rec. Pat. Mater. Sci. 3 (2010) 106-28)。Zr₂WP₂O₁₂具有穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，其負(fù)熱膨脹系數(shù)從室溫到1373 K都保持在-2.3×10^-6K^-1，適合制備穩(wěn)定的可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料。我們研究組報(bào)道了提高Zr₂WP₂O₁₂致密度的制備方法（R. Shang, Q. L. Hu, X. S. Liu, E. J. Liang, B. Yuan, M. J. Chao, Effect of MgO and PVA on the Synthesis and Properties of Negative Thermal Expansion Ceramics of Zr₂(WO₄)(PO₄)₂, Int. J. Appl. Ceram. Technol. 10(5), 849-856, 2013）。最近我們研究組報(bào)道了控制反應(yīng)路徑快速制備Zr₂P₂WO₁₂ 的方法（X. S. Liu, J. Q. wang, C. Z. Fan, R. Shang, F. C. Cheng, B. H. Yuan, W. B. Song, Y. G. Chen, E. J. Liang, M. J. Chao, Control of Reaction Pathways for Rapid Synthesis of Negative Thermal Expansion Ceramic Zr₂P₂WO₁₂ with Uniform Microstructure，Int. J. Appl. Ceram. Technol. DOI:10.1111/ijac.12201, 2013)。