A(2-X)B(X)M3O12(A=Y,YbB=La,Ce)系負(fù)熱膨脹材料的制備和性能研究.pdf

1、隨著微電子、光學(xué)和微機(jī)械等領(lǐng)域的器件微型化和航空航天技術(shù)的發(fā)展，材料的精確尺寸對(duì)器件的功能至關(guān)重要。器件往往會(huì)因工作環(huán)境溫度的變化尺寸而發(fā)生變化，導(dǎo)致器件的性能不穩(wěn)定甚至失效。負(fù)熱膨脹材料（Negative Thermal Expansion，簡(jiǎn)稱NTE材料）的發(fā)現(xiàn)為解決這類問(wèn)題提供了可能，可以通過(guò)將具有負(fù)熱膨脹系數(shù)與正熱膨脹系數(shù)的材料進(jìn)行復(fù)合，以期制備出各種可控?zé)崤蛎浵禂?shù)乃至零膨脹系數(shù)的復(fù)合材料，最大限度的減少高溫材料的內(nèi)應(yīng)力，增加材

2、料的抗熱沖擊強(qiáng)度，提高材料的使用壽命。
　　這些年來(lái)，陸續(xù)研究發(fā)現(xiàn)了AM2O7系列（A=Zr，Hf等;M=V，P等）;AM2O8系列(A=Zr，Hf等;M=W，Mo等);A2M3O12系列(A=Sc，Y，Yb，Lu;M=W，Mo等)負(fù)熱膨脹材料[1-13].其中A2M3O12系的A位離子可以是從Al3+（半徑0.0675nm）到Gd3+（半徑為0.1075nm）的任何三價(jià)陽(yáng)離子，更為有趣的是A位離子的不同對(duì)A2M3O12的性能起著

3、決定性作用，其中研究發(fā)現(xiàn)A2M3O12系材料包含單斜相和四方相兩種晶體結(jié)構(gòu)，單斜相結(jié)構(gòu)的A2M3O12系材料呈現(xiàn)正熱膨脹，如典型代表有La2Mo3O12和Nd2Mo3O12等，而四方相結(jié)構(gòu)的A2M3O12系材料呈現(xiàn)負(fù)熱膨脹，如典型代表有Yb2Mo3O12和Y2Mo3O12等。因此我們可以改變A位離子，進(jìn)行離子摻雜，以期得到負(fù)熱膨脹系數(shù)可控和零膨脹材料，同時(shí)探索不同摻雜離子以及摻入量對(duì)其性能的影響。
　　本文采用固相法制備了Y2-x

4、LaxMo3O12，Yb2-xLaxMo3O12，Y2-xCexW3O12及Yb2-xCexW3O12陶瓷材料。用離子半徑較大的La3+和Ce3+取代離子半徑較小的Y3+和Yb3+，通過(guò)調(diào)節(jié)Y/La，Yb/La，Y/Ce和Yb/Ce的比例來(lái)考察其對(duì)材料的熱膨脹性能以及其它性能的影響。使用XRD、拉曼、TMA、TG、SEM、TEM等分析手段對(duì)樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的表征和分析。研究結(jié)果和主要結(jié)論如下:
　　1.采用固相法在750℃燒結(jié)10h

5、后制備得到Y(jié)2-xLaxMo3O12(0≤x≤2)系列陶瓷材料，TG顯示Y2Mo3O12在室溫下吸濕，La摻入后，Y2-xLaxMo3O12(0≤x≤2)吸濕現(xiàn)象消失，同時(shí)在178～600℃測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，隨著La摻入量的增加，其熱膨脹系數(shù)總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，達(dá)到了調(diào)控的目的。其中Y1.5La0.5Mo3O12在178～600℃內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為近零的0.8788×10-6/K，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控Y/La的比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Y2-xL

6、axMo3O12(0≤x≤2)熱膨脹系數(shù)的調(diào)控，該系列非吸濕且可控近零膨脹的陶瓷材料將有著非常廣泛的應(yīng)用前景。
　　2.本章中，將Y置換成Yb，與La組合成復(fù)合的A位離子。繼續(xù)采用固相法，在750℃燒結(jié)10h后成功制備得到了Yb2-xLaxMo3O12(0≤x≤2)系列陶瓷材料，與Y2-xLaxMo3O12(0≤x≤2)相同的是，TG顯示Yb2Mo3O12在室溫下吸濕，隨著La的摻入量的增加，Yb2-xLaxMo3O12(0≤x≤

7、2)吸濕現(xiàn)象消失。同時(shí)，其熱膨脹系數(shù)總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，達(dá)到了熱膨脹系數(shù)調(diào)控的目的。也即通過(guò)調(diào)控Yb/La的比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Yb2-xLaxMo3O12(0≤x≤2)熱膨脹系數(shù)的調(diào)控。
　　3.采用固相法在950℃燒結(jié)12h后制備得到Y(jié)b2-xCexW3O12(0≤x≤2)系列陶瓷材料，在保證物相純正的基礎(chǔ)上降低了燒結(jié)溫度，并且發(fā)現(xiàn)了A2M3O12族系的新成員。達(dá)成了以一種正熱膨脹搭配一種負(fù)熱膨脹材料來(lái)調(diào)控?zé)崤蛎浵禂?shù)的最初目標(biāo)。隨

8、著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累，分析發(fā)現(xiàn)隨著Ce的摻入，Yb2-xCexW3O12(0≤x≤2)樣品的吸濕性得到了很好的改善，每分子結(jié)晶水個(gè)數(shù)從2.85降低到0.05。此外，隨著Ce的摻入，其熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，達(dá)到了熱膨脹系數(shù)調(diào)控的目的。
　　4.采用固相法在950℃燒結(jié)12h后制備得到Y(jié)2-xCexW3O12(0≤x≤2)系列陶瓷材料，驗(yàn)證了鎢酸鹽系列的一般負(fù)熱膨脹規(guī)律，即X＞0.5之后開(kāi)始表現(xiàn)為正熱膨脹材料的物相，隨著X值的增加