立方ZrW2O8结构类型化合物的制备及其热膨胀性能研究

摘要

热膨胀通常是指外界压强不变的情况下,物体因温度改变而发生的膨胀现象。绝大多数物质温度升高时,体积增大,温度降低时,体积缩小,即热胀冷缩现象。热胀冷缩产生的热应力常影响器件的长期使用。然而,有少数几种材料,它们会随着温度的变化而“热缩冷胀”,这一类材料称之为负膨胀材料。若将负膨胀材料和正膨胀材料复合,可制备出膨胀系数可控的复合材料。这类复合材料必将有广泛的应用前景。
　　 1996年美国学者Mary TA等在《science》报道ZrW2O8具有各向同性大的负热膨胀系数。优异的负膨胀性能和潜在的应用前景,使ZrW2O8的基础理论、物理性能、实验室制备及工业应用等方面都得到了广泛的研究。
　　 本论文用快速烧结合成技术制备了一系列具备立方相ZrW2O8结构类型化合物Zr1-xMxW2O8(M=Hf,Sn,Y)及ZrO2／ZrW2O8复合材料,并对样品进行了测试分析,结果如下:
　　 1、采用快速烧结技术制备了立方ZrW2O8结构化合物和ZrO2／ZrW2O8复合材料,该方法与其它合成方法相比,具有快速、节能、环保、低成本等优点,适用于工业化大规模生产。
　　 2、通过常温XRD对Zr1-xMxW2O8结构进行分析,证明用Hf4+,Sn4+,Y3+取代Zr4+没有破坏ZrW2O8特有的晶胞结构,但是导致了晶格常数的改变。说明Zr1-xMxW2O8固溶体在常温下和α-ZrW2O8具有相同的立方晶胞结构,空间群为P213。首次采用变温Raman散射分析表明固溶体α相向β相转变的相变温度随Hf替代量的增加而升高,而随Sn和Y替代量的增加而降低。
　　 3、采用快速烧结技术制备了可控热膨胀ZrO2／ZrW2O8复合材料。从拉曼光谱图中可看出高温烧结制备ZrO2／ZrW2O8复合材料的组分为立方相α-ZrW2O8和单斜相m-ZrO2。变温拉曼发现,当温度高于430K时,复合材料的拉曼峰在735 cm-1处显著地减小。说明ZrW2O8在430K发生相变:α-ZrW2O8→β-ZrW2O8。实践证明,少量添加物常会明显的改变烧结速度。因此添加一定量的Y2O3能显著改善材料的烧结性能,提高复合陶瓷的致密度。通过XRD分析,ZrW2O8在复合材料制备中没有分解。