一種具有近零熱膨脹特性的「反鈣鈦礦結構」固體材料的製作方法

2023-05-17 12:38:16

專利名稱：一種具有近零熱膨脹特性的「反鈣鈦礦結構」固體材料的製作方法
技術領域：
本發明提供一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料，特別涉及一種
在室溫附近具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料，該類材料各向同性，導熱導電，機械強度高，因此在航空航天，建築材料，光學元件，微電子器件，光纖通訊等領域具有很高的應用前景，屬於無機材料技術領域。
(二)
背景技術：
近零或零膨脹是當前材料科學研究的熱點之一，隨著溫度的變化這類材料的體積不發生變化或者變化很微小，具有很高的研究與實際應用價值。近零或零膨脹材料由於熱膨脹受溫度影響小，具有顯著的耐熱衝擊性能。隨著科技的發展，將廣泛用於精密機械和精密光學部件領域，如航空航天、建築材料、封裝材料、計算機晶片、微電子器件，光信息傳播器件、光纖通訊等領域。目前，已報導的大部分此類材料是通過組合正負熱膨脹材料複合得到，如ZrW20s基複合材料。然而這類材料有其自身的弱點，如製造工藝複雜，成本高，機械強度低等。儘管也有一些關於零膨脹合金材料的報導，如因瓦合金類，但由於存在各向異性，成本高，溫度範圍不合適，易氧化等問題，應用具有一定的局限性。 反鈣鈦礦結構錳氮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Mn3XN{X為鎵(Ga)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)或錫(Sn)等}。該晶體結構中，Mn原子位於立方晶胞的面心，X原子位於頂角位置，N原子位於體心位置，因此人們又稱其為"反鈣鈦礦結構"。依賴於溫度變化，該類化合物的磁輸運、電輸運，熱膨脹行為會發生奇特的變化，已引起學術界和工業界的廣泛關注。 通過對該類材料的研究，我們發現部分反鈣鈦礦結構材料，隨著溫度的升高，在某一溫區，其晶胞常數隨溫度變化很小或幾乎不變，顯示近零或零膨脹效應。這類零膨脹材料由單一物質構成，易於製備，性能也較穩定，對高精度儀器設備的開發具有重要意義。
(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料，它不僅具有近零膨脹特性，且同時具有負熱膨脹特性。該材料可用於航空航天，建築材料，光學元件，微電子器件，光纖通訊等領域。 本發明一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料，特別是同時具有近零膨脹和負熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料，其分子式為Mn3GaN，由Mn，Ga，N三種元素組成，其原子配比為Mn : Ga : N = 3 : 1 : l，其晶體結構為反鈣鈦礦立方結構。 本發明中的錳鎵氮三元化合物(Mn3GaN)，在298K < T < 348K溫區內，其晶胞常數隨溫度的增加幾乎保持不變，顯示為近零膨脹效應，如圖1所示。 本發明發現的近零膨脹行為屬各向同性，溫區在室溫上下，區間達到50K以上。
本發明中的Mr^GaN化合物，在348K < T < 361K溫區內，具有明顯的大的晶格收縮現象，即負熱膨脹效應，如圖1所示。 本發明一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料的製備方法，特別是同時具有近零熱膨脹和負熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料的製備方法，包括以下步驟 (1)按預定計劃的要求稱取預定量的錳粉(純度為99.9%)，然後將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至30(TC;再以l(TC /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關閉電源，隨爐冷卻，合成氮化錳(Mn2N); (2)按照摩爾比Mri2N : GaN = 3 : 2的比例，稱取一定量的Mn2N和GaN，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上； (3)使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀； (4)將壓製成片狀的樣品裝入石英管中並同時迅速接上抽真空系統，抽真空至10—spa，然後封閉石英管； (5)將封閉好的石英管放進高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫
度下保溫72小時，關閉電源，隨爐冷卻至室溫； (6)將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標產物Mn3GaN。 本發明具有如下優點 本發明一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料，它實現了在單一物質中獲得近零膨脹，不需要通過正負熱膨脹材料複合。該類材料的近零或零和負熱膨脹性能是各向同性的，結構很穩定，即使反覆升降溫，也不易產生缺陷和變形；這種材料還表現出了高導電性和高導熱性等金屬特性；具有與鐵和鋁等金屬材料匹敵的機械強度；主要原料不僅價格便宜，而且具有良好環保性。
(四)


圖1為Mn3GaN晶胞常數隨溫度變化曲線。
(五)
具體實施例方式
本發明一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料，特別是同時具有近零膨脹和負熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料，其分子式為Mn3GaN，由Mn，Ga，N三種元素組成，其原子配比為Mn : Ga : N = 3 : 1 : l，其晶體結構為反鈣鈦礦立方結構。 本發明一種具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料的製備方法，特別是同時具有近零熱膨脹和負熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料的製備方法，包括以下步驟 (1)稱取一定量的錳粉(純度為99. 9% )，然後將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至30(TC;再以l(TC /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關閉電源，隨爐冷卻，合成氮化錳(Mn2N);
(2)按照摩爾比M化N : GaN = 3 : 2的比例，稱取一定量的氮化錳和氮化鎵，總量在10g左右，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上；
(3)使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀； (4)將壓製成片狀的樣品裝入石英管中並同時迅速接上抽真空系統，抽真空至10—spa，然後封閉石英管； (5)將封閉好的石英管放進高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫
度下保溫72小時，關閉電源，隨爐冷卻至室溫； (6)將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標產物Mn3GaN。
權利要求
一種具有近零熱膨脹特性的「反鈣鈦礦結構」固體材料，其特徵在於該材料在298K＜T＜348K溫區內具有近零熱膨脹效應，並且在348K＜T＜361K具有負熱膨脹特性，其分子式為Mn3GaN，由Mn，Ga，N三種元素組成，其原子配比為Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶體結構為反鈣鈦礦立方結構。
2. 根據權利要求1所述的具有近零熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"固體材料的製備方法，特別是同時具有近零膨脹和負熱膨脹特性的"反鈣鈦礦結構"金屬間化合物固體材料的製備方法，其特徵在於它包括以下步驟(1) 按預定計劃的要求稱取純度為99.9%的錳粉，然後將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至300°C;再以10°C /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關閉電源，隨爐冷卻，合成Mn2N ;(2) 按照摩爾比M化N : GaN = 3 : 2的比例，稱取Mn2N和GaN，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上；(3) 使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀；(4) 將壓製成片狀的樣品裝入石英管中並同時迅速接上抽真空系統，抽真空至10—5Pa，然後封閉石英管；(5) 將封閉好的石英管放進高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫度下保溫72小時，關閉電源，隨爐冷卻至室溫；(6) 將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標產物Mn3GaN。
全文摘要
本發明提供一種具有近零熱膨脹特性的「反鈣鈦礦結構」固體材料，該材料在298K＜T＜348K溫區內具有近零熱膨脹效應，在348K＜T＜361K具有負熱膨脹特性，其分子式為Mn3GaN，由Mn，Ga，N三種元素組成，其原子配比為Mn∶Ga∶N＝3∶1∶1，其晶體結構為反鈣鈦礦立方結構；其製備方法是(1)稱取預定量的錳粉放入管式氮化爐中，在高純氮氣氛下，從室溫升至300℃；再以10℃/分鐘的速率升溫至750℃，保溫50小時；關閉電源，合成Mn2N；(2)按照摩爾比Mn2N∶GaN＝3∶2，稱取Mn2N和GaN，將其混合均勻，研磨1小時；(3)將粉末壓成片狀；(4)將片狀樣品裝入石英管中並同時抽真空至10-5Pa，然後封閉石英管；(5)將石英管放進高溫爐中，升溫至800℃，保溫72小時，關閉電源，冷卻至室溫，即得到Mn3GaN。
文檔編號C01G45/00GK101734722SQ200910242689
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月14日 優先權日2009年12月14日
發明者孫瑩, 溫永春, 王聰, 聶曼, 褚立華 申請人:北京航空航天大學