[發明專利]一種Ca3Si合金材料及其高溫高壓制備方法

有效

• 申請號: 201611025733.6
• 申請日: 2016-11-01
• 公開（公告）號: CN106744980B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 薩百晟;熊銳;溫翠蓮;楊洪雷
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: C01B33/06
• 分類號: C01B33/06
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

本發明公開了一種Ca₃Si合金材料及其高溫高壓制備方法，屬于合金材料制備領域。所述的Ca₃Si合金材料中，Ca和Si的成分摩爾比為3~3.5:1，空間群為，晶格常數為4.8336?，Si原子占據四個頂點，而Ca原子在立方體的6個面心，其制備方法為：以Ca粉和Si粉為原料，Ca粉和Si粉的摩爾比為3.0~3.5:1，經混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得Ca₃Si合金材料，壓力為5~15 GPa，合成溫度為1200~2000K。本發明具有工藝簡單、操作容易、成本低和產品組分易控制等優勢，所得的立方相Ca₃Si塊狀合金，產品純度較高，結合緊密，有較好的產業化前景。

技術領域

本發明屬于合金材料制備領域，具體涉及一種Ca₃Si合金材料及其高溫高壓制備方法。

背景技術

堿土金屬硅化物由于其自然元素豐富以及無毒性，近十幾年來被人們廣泛的研究。鈣的硅化物是其中一種堿土金屬硅化物，目前在常溫常壓下穩定的鈣的硅化物有：Ca₂Si, Ca₅Si₃, CaSi, Ca₃Si₄, Ca₁₄Si₁₉, 和CaSi₂。然而，施加外部壓力是一種使得亞穩定或者不穩定的相轉變為穩定相的一種有效方法。已有實驗表明，在10~15GPa的壓力下，CaSi₃和CaSi₆已經成功合成。目前為止，沒有文獻報道過比Ca₂Si富含更多Ca的Ca-Si二元合金。然而，在高溫高壓下我們成功合成了Ca₃Si，其Ca和Si的成分摩爾比大約為3:1。因為Si元素的特殊性，所以根據不同Si的含量，所形成的鈣的硅化物的電子結構也有很大的區別。一般來說，擁有低的硅含量的鈣的硅化物傾向于形成半導體，反之傾向于形成金屬。據文獻報道，Ca₂Si是一種擁有直接帶隙的半導體，其帶隙值約為0.56 eV。Ca₃Si₄是一種擁有間接帶隙的半導體，其帶隙值為0.34 eV。CaSi擁有鉻化硼結構，鉻化硼結構擁有很好地儲氫能力，經研究證明CaSi擁有很好地儲氫和釋放氫功能，并且CaSi的能帶體現出金屬性質。CaSi₂也被報道是一種超導材料。所以這些也證明了上述所說擁有低的硅含量的鈣的硅化物傾向于形成半導體，反之傾向于形成金屬。所以Ca₃Si很可能是一種半導體材料，半導體材料在熱電領域以及光電子器件中擁有極大的運用前景。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術不足，提供一種Ca₃Si合金材料及其高溫高壓制備方法。本發明的立方相Ca₃Si塊狀合金，產品純度較高，結合緊密，并且制備方法操作簡單、產品組分易控制，所制得的立方相Ca₃Si合金材料有望應用可以廣泛應用于各個領域。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種Ca₃Si合金材料，Ca和Si的成分摩爾比為3~3.5:1，空間群為，晶格常數為4.8336 ?，Si原子占據四個頂點，而Ca原子在立方體的6個面心，其制備方法為：以Ca粉和Si粉為原料，經混料壓塊、組裝、高溫高壓合成和冷卻卸壓的工藝過程制得Ca₃Si合金材料，具體包括以下步驟：

（1）混料壓塊：將Ca粉和Si粉按摩爾比3.0~3.5:1在Ar保護氣氛下放入球磨罐中進行球磨，得到混合物，按合成腔體大小壓成塊狀；

（2）組裝：將步驟（1）所得塊狀胚料裝入加熱容器，放入合成腔體中；

（3）高溫高壓合成：將步驟（2）組裝好的胚料放在高壓裝置上施加的壓力為5~15GPa，并且進行加熱，加熱溫度為1200~2000K，保溫保壓20~100分鐘；