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

1、隨著微電子、光學和微機械等領(lǐng)域的器件微型化和航空航天技術(shù)的發(fā)展，材料的精確尺寸對器件的功能至關(guān)重要。器件往往會因工作環(huán)境溫度的變化尺寸而發(fā)生變化，導致器件的性能不穩(wěn)定甚至失效。負熱膨脹材料（Negative Thermal Expansion，簡稱NTE材料）的發(fā)現(xiàn)為解決這類問題提供了可能，可以通過將具有負熱膨脹系數(shù)與正熱膨脹系數(shù)的材料進行復合，以期制備出各種可控熱膨脹系數(shù)乃至零膨脹系數(shù)的復合材料，最大限度的減少高溫材料的內(nèi)應力，增加材

2、料的抗熱沖擊強度，提高材料的使用壽命。
　　這些年來，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）的任何三價陽離子，更為有趣的是A位離子的不同對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，進行離子摻雜，以期得到負熱膨脹系數(shù)可控和零膨脹材料，同時探索不同摻雜離子以及摻入量對其性能的影響。
　　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+，通過調(diào)節(jié)Y/La，Yb/La，Y/Ce和Yb/Ce的比例來考察其對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等分析手段對樣品進行了系統(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，同時在178～600℃測試溫度區(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，達到了調(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，通過實驗分析發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控Y/La的比例，可以實現(xiàn)對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用前景。
　　2.本章中，將Y置換成Yb，與La組合成復合的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，其熱膨脹系數(shù)總體呈現(xiàn)出下降趨勢，達到了熱膨脹系數(shù)調(diào)控的目的。也即通過調(diào)控Yb/La的比例，可以實現(xiàn)對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。達成了以一種正熱膨脹搭配一種負熱膨脹材料來調(diào)控熱膨脹系數(shù)的最初目標。隨

8、著實驗數(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，達到了熱膨脹系數(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，驗證了鎢酸鹽系列的一般負熱膨脹規(guī)律，即X＞0.5之后開始表現(xiàn)為正熱膨脹材料的物相，隨著X值的增加