一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料及其製備方法與流程
2023-06-10 19:37:26 4
本發明涉及複合材料領域，具體涉及一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料及其製備方法。
背景技術：
材料熱膨脹性能對提高航空航天結構和電子設備等的熱幾何穩定性有重要意義，衛星天線和電子器件等工作環境複雜，不均勻溫度分布和大的溫度變化引起較大的熱變形，造成信號失真；大的溫度變化往往引起大的溫度應力，造成結構破壞，因此，(近)零膨脹材料的研製備受關注；多年來已經獲得系統研究的近零膨脹材料，如磷酸鹽陶瓷材料、鈦酸鋁陶瓷、微晶玻璃等，其低熱膨脹材料或零膨脹材料的研究和開發，可以大大的增強材料的抗熱衝擊性能，提高材料的使用壽命，擴大材料的適用範圍，近年來，近零膨脹陶瓷複合材料的設計合成，可以通過如下三種途徑實現：(1)通過成分調整獲得單一物相的近零膨脹陶瓷材料。如日本suzuki等人以(hfmg)(wo4)3和al2(wo4)3為原材料製備出(al2x(hfmg)1-x)(wo4)3，當x＝0.15時，其熱膨脹係數接近為零；(2)採用拓撲優化技術設計複合材料中各相材料在單胞域的分布形式，以獲得零膨脹材料的微結構形式，並通過有限元法進行模擬驗證；也可通過結構設計來實現均質材料的一維或者二維方向上的熱膨脹係數的控制，從而在獲得近零膨脹係數的同時，保障材料具有優良的力學性能；(3)根據turner和kerner經驗公式，將具有正的熱膨脹係數和負的熱膨脹係數的陶瓷材料，通過體積比例的調整，獲得近零膨脹的複合材料。
2005年，具有負熱膨脹特性的磁性材料(mn0.96fe0.04)3(zn0.5ge0.5)n的發現，為製備新型高導電高導熱近零膨脹材料提供了可能，其基本結構 是具有「反鈣鈦礦」結構的錳氮化物mn3xn，利用ge取代部分x，其具有各向同性的負熱膨脹性能，體積變化不僅平緩，而且連續，因此即使反覆升降溫，也不易生產缺陷和變形，化學性能穩定，可當作負熱膨脹材料來使用，通過調整元素及其比例來組合x，可調配出負熱膨脹係數為-25×10-6k-1的材料，這是目前公開報導負熱膨脹特性最為顯著的材料，此外，他們還預測該材料具有如下特點：(1)以前發現的負熱膨脹材料全部為絕緣體，而此次的新材料具備高導電性和導熱性等金屬特性，因此可作為散熱片來使用；(2)具有與鐵和鋁等金屬材料匹敵的機械強度；(3)其合成主要原料不僅價格便宜，而且具有良好環保性；(4)可用於精密光學和微電子器部件領域；目前利用al，ga，zn，in，sn取代mn3xn中的x組元，以獲得新型反鈣鈦礦結構的化合物得到了國內外相關科研機構的廣泛研究。
我們通過對該類材料的研究，利用原位反應複合工藝方法，通過調整mn3(znxge1-x)n/mn2n複合材料中x的值，可以實現複合材料的平均線熱膨脹係數在較寬的溫度區間內，可正，可負或者近零，以滿足不同應用領域對複合材料的熱膨脹係數的不同需求。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中存在的缺陷，提供一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料，通過調整其中x的值，實現複合材料的平均線熱膨脹係數在較寬的溫度區間內，可正，可負或者近零，該材料可用於航空航天，微電子器件，光信息傳播器件和建築材料等領域。
為實現上述目的，本發明的技術方案是一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料，分子式為mn3(znxge1-x)n/mn2n，其x＝0.4，0.6，0.8，其晶體結構為反鈣鈦礦立方結構，通過調整x的值，在室溫10℃ 至267℃區間內，其複合材料呈正膨脹，負膨脹或近零膨脹，當x＝0.4時，其複合材料呈近零膨脹，其平均線熱膨脹係數為-2.3×10-7k-1；當x＝0.6時，其複合材料呈現負熱膨脹，其平均線熱膨脹係數為-48.9×10-6k-1；當x＝0.8時，其複合材料呈正膨脹，其平均線膨脹係數為35.7×10-6k-1。
其製備方法為：
(1)稱取純度為99.9％的錳粉，然後將其放入管式爐中，在純度為99.99％的流動氮氣氣氛下，以15℃/分鐘的速率升溫至800℃，保溫25小時，隨爐冷卻，合成mn2n；
(2)稱取mn2n，zn和ge粉末，按化學計量數比混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨30分鐘；
(3)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中並同時抽真空至10-5pa，然後密封石英管；
(4)將石英管放進管式爐中，升溫至850℃，保溫25小時，冷卻至室溫，關閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標產物mn3(znxge01-x)n/mn2n。
本發明提供一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料，通過調整其中x的值，實現複合材料的平均線熱膨脹係數在較寬的溫度區間內，可正，可負或者近零，該材料可用於航空航天，微電子器件，光信息傳播器件和建築材料等領域。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
實施例1：(1)稱取純度為99.9％的錳粉，然後將其放入管式爐中，在純度為99.99％的流動氮氣氣氛下，以15℃/分鐘的速率升溫至800℃，保溫25小時，隨爐冷卻，合成mn2n；
(2)稱取mn2n，zn和ge粉末，化學計量數比mn2n∶zn∶sn＝15∶2∶3，混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨30分鐘；
(3)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中並同時抽真空至10-5pa，然後密封石英管；
(4)將石英管放進管式爐中，升溫至850℃，保溫25小時，冷卻至室溫，關閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標產物mn3(zn0.4ge0.6)n/mn2n。
實施例2：(1)稱取純度為99.9％的錳粉，然後將其放入管式爐中，在純度為99.99％的流動氮氣氣氛下，以15℃/分鐘的速率升溫至800℃，保溫25小時，隨爐冷卻，合成mn2n；
(2)稱取mn2n，zn和ge粉末，摩爾比mn2n∶zn∶sn＝15∶3∶2，均勻，在瑪瑙研缽中研磨30分鐘；
(3)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中並同時抽真空至10-5pa，然後密封石英管；
(4)將石英管放進管式爐中，升溫至850℃，保溫25小時，冷卻至室溫，關閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標產物mn3(zn0.6ge0.4)n/mn2n。
實施例3：(1)稱取純度為99.9％的錳粉，然後將其放入管式爐中，在純度為99.99％的流動氮氣氣氛下，以15℃/分鐘的速率升溫至800℃，保溫25小時，隨爐冷卻，合成mn2n；
(2)稱取mn2n，zn和sn粉末，摩爾比mn2n∶zn∶sn＝15∶4∶1，混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨30分鐘；
(3)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中並同 時抽真空至10-5pa，然後密封石英管；
(4)將石英管放進管式爐中，升溫至850℃，保溫25小時，冷卻至室溫，關閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標產物mn3(zn0.8ge0.2)n/mn2n。
當x＝0.4時，其複合材料呈近零膨脹，其平均線熱膨脹係數為-2.3×10-7k-1；當x＝0.6時，其複合材料呈現負熱膨脹，其平均線熱膨脹係數為-48.9×10-6k-1；當x＝0.8時，其複合材料呈正膨脹，其平均線膨脹係數為35.7×10-6k-1。
本發明提供一種鋅鍺摻雜錳氮化合物-氮化錳複合材料，通過調整其中x的值，實現複合材料的平均線熱膨脹係數在較寬的溫度區間內，可正，可負或者近零，該材料可用於航空航天，微電子器件，光信息傳播器件和建築材料等領域。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。