一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹錳碳化合物制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC固體的制備方法,其主要包括以下步驟:按化學(xué)計量比Mn∶Sn∶C=3∶1∶1,稱取錳粉、錫粉和石墨粉;在研缽中研磨1小時以上;將粉末壓制成片狀;裝入石英管中,抽真空,密封;放入燒結(jié)爐,以每分鐘10℃的速度升溫到800℃,并在此溫度保溫100小時,隨爐冷卻;把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出,將之壓碎;隨后放入瑪瑙研缽,研磨1小時以上;將粉末壓制成片狀;隨后裝入石英管中,抽真空,密封;放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10℃的速度升溫到800℃,并在此溫度保溫72小時,隨爐冷卻;把樣品從石英管中取出,即得到所需類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC。
【專利說明】一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹錳碳化合物制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于負(fù)膨脹材料【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹錳碳化合物的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常固體材料均具有熱脹冷縮的特性,然而在一些特殊使用情況下希望材料具有負(fù)膨脹或零膨脹的特殊物理性能,因此,負(fù)膨脹材料是當(dāng)前材料科學(xué)研究的熱點課題之一。所謂負(fù)膨脹性能,是指在某一溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,材料的長度或體積減小。因為這類材料能夠用于調(diào)節(jié)某些關(guān)鍵部件的膨脹系數(shù),所以具有很高的研究與實際應(yīng)用價值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有此性質(zhì)的材料將廣泛用于精密機械和精密光學(xué)部件領(lǐng)域,如航空航天、IC芯片、微電子器件、封裝材料、光信息傳播器件、光纖通訊等領(lǐng)域。目前,已報道的此類材料存在難以克服的弱點,如ZrW2O8材料,不導(dǎo)電,制備成本高,機械強度低等,瓦合金存在各向異性,成本高,易氧化等問題,應(yīng)用受到了限制。
[0003]類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳碳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Mn3XC (X為Sn,Zn,Ga,Zn,Ni等元素)。在晶體結(jié)構(gòu)上,Mn原子位于立方晶胞的面心,C原子位于體心位置,X原子位頂角位置,因為鈣鈦礦化合物氧原子在面心位置,而體心是金屬元素,所以人們又稱此類物質(zhì)為“反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)”。除了負(fù)熱膨脹性能以外,此類材料在磁性、電輸運和磁阻等方面也具有奇特的表現(xiàn),尤其是其電阻率與半導(dǎo)體材料相近,對高精度儀器設(shè)備的開發(fā)具有重要意義。但是這類材料能否滿足實際應(yīng)用其關(guān)鍵還在于:負(fù)膨脹效應(yīng)的溫度范圍是否足夠?qū)?,膨脹系?shù)是否恒定。而這些都與制備方法有關(guān),現(xiàn)有的制備方法不能提供負(fù)膨脹效應(yīng)溫度范圍足夠?qū)挘蛎浵禂?shù)恒定,純度高的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹錳碳化合物。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)熱膨脹系數(shù)的錳碳化合物的方法,使得該材料在220-300K較寬溫度范圍內(nèi)具有負(fù)熱膨脹性能,且熱膨脹系數(shù)為-1.002*10 -5K-1,該材料電阻率為0.45m Ω.cm,接近半導(dǎo)體材料的最小電阻率范圍。
[0005]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的,采取以下技術(shù)方案:
[0006]一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC固體的制備方法,包括以下步驟:
[0007](I)按化學(xué)計量比Mn: Sn: C=3: I: 1,稱取錳粉、錫粉和石墨粉,粉末純度均為99.9%或以上,粉末粒度均為300目;
[0008](2)將三種粉末在研缽中研磨I小時以上,充分混合均勻;
[0009](3)將混合均勻的粉末取適量,使用不銹鋼模具和壓片機將粉末壓制成片狀,壓力為 2OMpa ;
[0010](4)將壓制成片狀樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;[0011](5)將裝有片狀樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到800°C,并在此溫度保溫100小時,然后隨爐冷卻;
[0012](6)冷卻后將石英管打碎,把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出,用壓力機將之壓碎;
[0013](7)將壓碎的中間產(chǎn)物樣品放入瑪瑙研缽,研磨I小時以上,得到均勻細(xì)小的粉末,粒度分布在10-50 μ m ;
[0014](8)將研磨好的中間產(chǎn)物樣品粉末使用壓片機和不銹鋼模具,在20MPa的壓力下壓成片;
[0015](9)將步驟(8)中壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;
[0016](10)將步驟(9)中裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到800°C,并在此溫度保溫72小時,然后隨爐冷卻;
[0017](11)冷卻后將石英管打碎,把樣品從石英管中取出,即得到所需類鈣鈦礦化合物Mn3SnC0
[0018]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0019](I)該方法制造出的Mn3SnC材料在220-300K較寬溫度范圍內(nèi)具有負(fù)熱膨脹性能,溫區(qū)在室溫附近,區(qū)間達(dá)到80K,熱膨脹系數(shù)為-1.002 X 10-?-1 ;
[0020](2)該方法制造出的材Mn3SnC材料的負(fù)熱膨脹性能是各向同性的,且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;
[0021](3)該方法制造出的Mn3SnC材料電阻率為0.45ηιΩ.cm,接近半導(dǎo)體材料的最小電阻率范圍;
[0022](4)該方法制造出的Mn3SnC材料導(dǎo)熱性能良好,導(dǎo)熱系數(shù)為130W/(cm.K);
[0023](5)該方法的原料便宜,制備工藝簡單,得到的Mn3SnC材料純凈度高,便于工業(yè)生產(chǎn),且在制備與使用時都非常環(huán)保。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1制備出的Mn3SnC晶胞常數(shù)隨溫度變化曲線;
[0025]圖2為實施例1制備出的Mn3SnC的XRD圖譜;
[0026]圖3為實施例2制備出的Mn3SnC的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0027]實施例一:
[0028]一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC固體的制備方法,包括以下步驟:
[0029](I)按化學(xué)計量比Mn: Sn: C=3: I: 1,稱取錳粉、錫粉和石墨粉,粉末純度均為99.9%或以上,粉末粒度均為300目;
[0030](2)將三種粉末在研缽中研磨I小時以上,充分混合均勻;
[0031](3)將混合均勻的粉末取適量,使用不銹鋼模具和壓片機將粉末壓制成片狀,壓力為 2OMpa ;
[0032](4)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;
[0033](5)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到800°C,并在此溫度保溫100小時,然后隨爐冷卻。此時在真空石英管內(nèi)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):
[0034]3Mn+Sn+C — Mn3SnC
[0035](6)冷卻后將石英管打碎,把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出,用壓力機將之壓碎;由于中間產(chǎn)物樣品中摻雜著沒能完全反應(yīng)的粉末,為了獲得純凈的Mn3SnC,需要將中間產(chǎn)物樣品繼續(xù)壓碎燒結(jié)。
[0036](7)將壓碎的中間產(chǎn)物樣品放入瑪瑙研缽,研磨I小時以上,得到均勻細(xì)小的粉末,粒度分布在10-50 μ m,以便于反應(yīng)物的接觸,利于反應(yīng)完全。
[0037](8)將研磨好的中間產(chǎn)物粉末使用壓片機和不銹鋼模具,在20MPa的壓力下壓成片;
[0038](9)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;
[0039](10)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到8000C,并在此溫度保 溫72小時,然后隨爐冷卻。
[0040](11)冷卻后將石英管打碎,把樣品從石英管中取出,即得到所需類鈣鈦礦化合物Mn3SnC ;由圖1可以看出本方法得到的Mn3SnC在220-300K較寬溫度范圍內(nèi)具有負(fù)熱膨脹性能;由圖2XRD圖譜可以看出制備所得Mn3SnC均勻純凈,無雜相。
[0041]實施例二:
[0042]一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC固體的制備方法,包括以下步驟:
[0043](I)按化學(xué)計量比Mn: Sn: C=3: I: 1,稱取一定量的錳粉、錫粉和石墨粉,粉末純度均為99.9%或以,粉末粒度均為300目;
[0044](2)將三種粉末在研缽中研磨I小時以上,充分混合均勻;
[0045](3)將混合均勻的粉末取適量,使用不銹鋼模具和壓片機將粉末壓制成片狀,壓力為 2OMpa ;
[0046](4)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;
[0047](5)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到800°C,并在此溫度保溫100小時,然后隨爐冷卻;
[0048](6)冷卻后將石英管打碎,把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出,用壓力機將之壓碎。
[0049](7)將壓碎的樣品放入瑪瑙研缽,研磨I小時以上,得到均勻細(xì)小的粉末,粒度分布在 10-50ym ;
[0050](8)將研磨好的中間產(chǎn)物粉末使用壓片機和模具,在20MPa的壓力下壓成片;
[0051](9)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封;
[0052](10)將裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到8000C,并在此溫度保溫48小時,然后隨爐冷卻。
[0053](11)冷卻后將石英管打碎,把樣品從石英管中取出,即得到所需類鈣鈦礦化合物Mn3SnC ;由圖3XRD圖譜可以看出該實施例制備出的Mn3SnC具有雜相,不能夠得到均勻純凈的Mn3SnC化合物。
【權(quán)利要求】
1.一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC固體的制備方法,包括以下步驟: (1)按化學(xué)計量比Mn: Sn: C=3: I: 1,稱取錳粉、錫粉和石墨粉,粉末純度均為.99.9%或以上,粉末粒度均為300目; (2)將三種粉末在研缽中研磨I小時以上,充分混合均勻; (3)將混合均勻的粉末取適量,使用不銹鋼模具和壓片機將粉末壓制成片狀,壓力為2OMpa ; (4)將壓制成片狀樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封; (5)將裝有片狀樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到800°C,并在此溫度保溫100小時,然后隨爐冷卻; (6)冷卻后將石英管打碎, 把中間產(chǎn)物樣品從石英管中取出,用壓力機將之壓碎; (7)將壓碎的中間產(chǎn)物樣品放入瑪瑙研缽,研磨I小時以上,得到均勻細(xì)小的粉末,粒度分布在10-50 μ m ; (8)將研磨好的中間產(chǎn)物樣品粉末使用壓片機和不銹鋼模具,在20MPa的壓力下壓成片; (9)將步驟(8)中壓制成片狀的樣品裝入石英管中,然后將石英管接到分子泵上,抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到KT4Pa時,使用氧炔焰熔化石英管進行密封; (10)將步驟(9)中裝有樣品的真空石英管放入燒結(jié)爐內(nèi),以每分鐘10°C的速度升溫到.8000C,并在此溫度保溫72小時,然后隨爐冷卻; (11)冷卻后將石英管打碎,把樣品從石英管中取出,即得到所需類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)負(fù)膨脹Mn3SnC0
【文檔編號】C01B31/30GK103449436SQ201310421876
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】溫永春, 王聰, 聶曼, 孫瑩, 禇立華 申請人:鹽城工學(xué)院