一種超大負(fù)熱膨脹材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及負(fù)熱膨脹材料，特指一種超大負(fù)熱膨脹材料及其制備方法；所述材料的分子式為Mn3Zn0.5Ni0.5N，由Mn，Zn，Ni，N組成，其原子比為Mn：Zn：Ni：N=6：1：1：2，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)，在298K≤T≤323K，其平均線負(fù)熱膨脹系數(shù)為-62×10-6/K；此材料具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，化學(xué)穩(wěn)定強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，制備工藝簡(jiǎn)單，因此在航空航天，電子元件，光學(xué)元件和光纖通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種超大負(fù)熱膨脹材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及負(fù)熱膨脹材料，特指一種超大負(fù)熱膨脹材料及其制備方法；具體指一種Mn3Zna 5Ni0.5N固體材料，其在室溫以上一定的溫度區(qū)間內(nèi)具有超大負(fù)熱膨脹性能，其負(fù)熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于其他Mn3AN(A=Cu，Zn，Sn，Ge, Ga等)；該材料各向同性，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，機(jī)械強(qiáng)度高度，制備方法簡(jiǎn)單，因此可廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、光學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]材料熱脹冷縮是機(jī)械、電子學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、通信等諸多領(lǐng)域中所面臨的普遍問題之一，它對(duì)各種器件的性能有很大的影響；例如，對(duì)于高精度要求的光學(xué)儀器，器件受溫度影響會(huì)明顯的導(dǎo)致精度失準(zhǔn)；精密組件裝置的元件材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不一致或者相差甚遠(yuǎn)，環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，縮短使用壽命或者降低器件性能，因此，解決材料熱膨脹系數(shù)匹配的問題很重要，研究零膨脹或負(fù)膨脹材料是不可或缺的。
[0003]目前，已發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹材料有很多，主要包括一些氧化物鎢酸鹽、鑰酸鹽、磷酸鹽、娃酸鹽等，如Sleight等人發(fā)現(xiàn)的ZrW2O8以及HfW2O8,這一類材料在很寬的溫度區(qū)間內(nèi)具有負(fù)熱膨脹性能，但機(jī)械強(qiáng)度較差；還有近幾年日本研究者K.Takenaka研究發(fā)現(xiàn)了反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氮化合物Mn3CuN摻雜Ge后具有負(fù)熱膨脹性能，且可通過改變摻雜量調(diào)節(jié)負(fù)熱膨脹系數(shù)，因此錳氮化合物成為一種新型負(fù)熱膨脹材料；縱觀所有的負(fù)熱膨脹材料，這些材料的負(fù)熱膨脹系數(shù)多集中在10_6數(shù)量級(jí)，如Mn3Zna6Sna4N其熱膨脹系數(shù)是錳氮化合物目前為止最大的，在410-440K達(dá)到a =-38 X 10-6/Κ，而ZrW2O8大約為-8.9 X 10-6/Κ，但是常用材料的熱膨脹系數(shù)有的大于50Χ 10_6/Κ，因而這樣小的負(fù)熱膨脹性能難以補(bǔ)償材料的正熱膨脹，其實(shí)際應(yīng)用仍然受到限制，可見，現(xiàn)有負(fù)熱膨脹材料中缺少超大負(fù)熱膨脹材料，以更廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種在一定溫度范圍區(qū)間具有超大負(fù)熱膨脹系數(shù)，其負(fù)熱膨脹系數(shù)達(dá)到-62 X IO-6A的Mn3Zna 5Ni0.5N固體材料，是目前為止具有最大負(fù)熱膨脹系數(shù)的錳氮化合物。該材料可用于航空航天，微電子器件，光信息傳播器件和建筑材料等領(lǐng)域。
[0005]本發(fā)明一種具有負(fù)熱膨脹特性的反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的粉體材料，其分子式為皿巧冗^^込化由胞^~祖^組成’其原子比為胞:!!:Ni:N=6:1:1:2，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明中的Mn3Zna5Nia5N粉體材料，在298 K≤T≤323K，根據(jù)平均線熱膨脹系數(shù)的計(jì)算公式a = AL/L(AT)，AL為溫度Tl和Τ2間試樣長度的變化(Tl < T2);L為試樣的原始長度；Λ T為溫度Τ2和Tl間的溫度差，其平均線負(fù)熱膨脹系數(shù)為-62 X 10_6/Κ，較已發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹材料的熱膨脹系數(shù)大很多，如圖1所示。
[0007]本發(fā)明一種具有超大負(fù)熱膨脹特性的Mn3Zna5Nia5N粉體材料的制備方法，它包括以下步驟:
(1)稱取純度為99.9%的錳粉以及99.7%的氧化鋅粉末，摩爾比為ZnO =Mn=1: 3,然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的高純氨氣≥99.999%)的氣氛下，以10°C /分鐘的速率升溫至7500C，保溫10小時(shí)，隨爐冷卻，合成Mn3ZnN粉末；
(2)稱取純度為99.9%的錳粉以及99.7%的氧化鎳粉末，摩爾比為NiO =Mn=1: 3,然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的高純氨氣(≥99.999%)的氣氛下，以10°C /分鐘的速率升溫至7500C，保溫10小時(shí)，隨爐冷卻，合成Mn3NiN粉末；
(3)按照摩爾比Mn3ZnN= Mn3NiN=1:1，稱取Mn3ZnN粉和Mn3NiN粉，混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨過篩；
(4)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中并同時(shí)抽真空，然后密封
石英管；
(5)將石英管放進(jìn)管式爐中，升溫至850°C，保溫20小時(shí)，冷卻至室溫，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3Zntl.5NiQ.5N。
[0008]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明一種具有超大負(fù)熱膨脹特性的反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)粉體材料，它在298 323Κ，其平均線負(fù)熱膨脹系數(shù)為_62Χ 10_6/Κ，遠(yuǎn)大于已發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹材料的熱膨脹系數(shù)大近一倍左右，該類材料的負(fù)熱膨脹是各向同性的，結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定。這種材料還具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；較高的機(jī)械強(qiáng)度；原料來源豐富，且制備條件易實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為Mn3Zna5Ni0.5N粉體材料經(jīng)TMA測(cè)試的試樣長度隨溫度變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明一種具有極微負(fù)熱膨脹特性的具有反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的粉體材料，其分子式為皿巧冗^^込化由胞組成’其原子比為胞:!!:Ni:N=6:1:1:2，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明中的Mn3Zntl.5祖。.#粉體材料，在298 K≤T≤323K，其平均線負(fù)熱膨脹系數(shù)為-62X10_6/K，遠(yuǎn)大于已發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹材料的負(fù)熱膨脹系數(shù)，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)的負(fù)熱膨脹行為為各向同性，其負(fù)熱膨脹性能溫度區(qū)間在室溫以上。
[0012]本發(fā)明一種具有負(fù)熱膨脹特性的Mn3Zna5Nia5N粉體材料的制備方法，它包括以下步驟:
Cl)稱取純度為99.9%的錳粉以及99.7%的氧化鋅粉末，摩爾比為ZnO:Mn=l:3，然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的高純氨氣(99.999%)的氣氛下，以10°C /分鐘的速率升溫至7500C，保溫10小時(shí)，隨爐冷卻，合成Mn3ZnN粉末；
(2)稱取純度為99.9%的錳粉以及99.7%的氧化鎳粉末，摩爾比為NiO:Mn=l:3，然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的高純氨氣(99.999%)的氣氛下，以10°C /分鐘的速率升溫至7500C，保溫10小時(shí)，隨爐冷卻，合成Mn3NiN粉末；
(3)按照摩爾比Mn3ZnN= Mn3NiN=1:1，稱取Mn3ZnN粉和Mn3NiN粉，混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨過200目篩；
(4)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中并同時(shí)抽真空至10_5Pa，然后密封石英管；
(5)將石英管放進(jìn)管式爐中，升溫至850°C，保溫20小時(shí)，冷卻至室溫，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標(biāo) 產(chǎn)物Mn3Zntl.5NiQ.5N。
【權(quán)利要求】
1.一種超大負(fù)熱膨脹材料，其特征在于:所述材料的分子式為Mn3Zna5Nia5N,由Mn，Zn，Ni，N組成，其原子比為Mn:Zn:Ni:N=6:1:1:2，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)，在298K≤T≤323K，其平均線負(fù)熱膨脹系數(shù)為-62X 10—7K。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超大負(fù)熱膨脹材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)稱取錳粉以及氧化鋅粉末，摩爾比為ZnO=Mn=1: 3，然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的氨氣的氣氛下，升溫至750°C,保溫10小時(shí)，隨爐冷卻,合成Mn3ZnN粉末； (2)稱取錳粉以及氧化鎳粉末，摩爾比為NiO=Mn=1: 3，然后將其放入管式爐中，在流動(dòng)的氨氣的氣氛下，升溫至750°C，保溫10小時(shí)，隨爐冷卻，合成Mn3NiN粉末； (3)按照摩爾比Mn3ZnN= Mn3NiN=1:1，稱取Mn3ZnN粉和Mn3NiN粉，混合均勻，在瑪瑙研缽中研磨過篩； (4)將粉末樣品均勻倒入小瓷舟中，再將小瓷舟放入石英管中并同時(shí)抽真空，然后密封石英管； (5)將石英管放進(jìn)管式爐中，升溫至850°C，保溫20小時(shí)，冷卻至室溫，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫，即得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3Zntl.5NiQ.5N。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有超大負(fù)熱膨脹的粉體的制備方法，其特征在于:所述錳粉的質(zhì)量百分含量為:99.9% ;所述氧化鋅粉末的質(zhì)量百分含量為:99.7% ;所述氧化鎳粉末的質(zhì)量百分含量為:99.7%。
4.如權(quán)利要求2所述的一種具有超大負(fù)熱膨脹的粉體的制備方法，其特征在于:所述步驟I和步驟2的升溫速率為10°C /分鐘；氨氣的體積百分含量為≥99.999%。
5.如權(quán)利要求2所述的一種具有超大負(fù)熱膨脹的粉體的制備方法，其特征在于:所述步驟3的研磨過篩指研磨過200目篩。
6.如權(quán)利要求2所述的一種具有超大負(fù)熱膨脹的粉體的制備方法，其特征在于:所述步驟4中的抽真空指抽真空至10_5Pa。
【文檔編號(hào)】C01G53/00GK103466723SQ201310376808
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】嚴(yán)學(xué)華, 劉佳琪, 繆進(jìn)進(jìn), 吳肖, 程曉農(nóng), 楊佑高, 劉強(qiáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)