Yb2-xAlxMo3O12系列材料的合成及负热膨胀性能的研究

摘要

近年来，由于人们对材料膨胀性能要求的提高，使负热膨胀(Negativethermal expansion，简称NTE)材料受到广泛的关注。其中通式为A2M3O12的钨(钼)酸盐负热膨胀材料因其较大的各向异性负热膨胀系数，而且在较广的温度范围内都显示负热膨胀特性，使其在光学、电子、医学、器械等诸多领域有着很大的潜在应用价值。A2M3O12化合物主要有正交相，单斜相，四方相三种晶体结构。一般只有正交结构的A2M3O12材料才具有负热膨胀效应。它的晶体结构与A3+，M6+有关，对于A2(WO4)3系列材料，当A3+离子半径位于La3+到Dy3+之间时为单斜相结构，A3+离子半径位于Ho3+到Al3+之间时为正交相结构。而对于A2(MoO4)3材料，当A3+离子半径介于La3+离子半径到Gd3+离子半径之间时，材料结晶于四而体结构；A3+离子半径介于Y3+到Lu3+之间时材料结晶于正交相结构。据报道，A2M3O12系列负热膨胀材料中，随着A3+半径的变大，材料的负热膨胀系数也越大。但A3+离子的半径大于一定程度后，会使材料的结构变的疏散，水分子容易材料品格中，影响材料负热膨胀性能。　　 目前对于A2M3O12系列负热膨胀材料的研究还不够完善，已发现的A2M3O12系列负热膨胀材料还不多，而且已发现的A2M3O12系列负热膨胀材料存在一些缺陷，如相变温度高，常温下吸水等问题，不利于材料的广泛应用。为了寻找新的负热膨胀材料，进一步探讨负热膨胀机理，研究其基本的物理性能，得到负热膨胀系数可控的材料，本文利用高温快速烧结法合成了Yb2-xAlx(MoO4)3系列材料，并利用常温x-ray粉末衍射、常温和高温拉曼光谱分析，热分析等分析手段对制得样品进行分析，研究其热膨胀，相变，吸水性等基本物理性能。A2M3O12系列负热膨胀材料的负热膨胀机理可以用基于桥氧原子低能横向热振动的“准刚性单元模式”来加以解释。　　 本文主要研究内容为：合成了Yb2-xAlx(MoO4)3系列的固溶体。利用拉曼光谱分析发现，(1)Yb2-xAlx(MoO4)3(x=0-0.4)与纯Yb2Mo3O12样品晶体结构一样，都是正交相结构，空间群为Pnca。样品Yb2-xAlx(MoO4)3(x=0-0.4)在常温下具有很强的吸水性，随着温度的升高，有两次释放水分子过程。在变温拉曼谱图上显示为三个Yb2M3O12的特征拉曼峰随温度的上升，变得越来越尖锐并有分裂的现象。常温下，材料吸收的水分子会阻碍晶体内部声子的振动模式，使材料失去负热膨胀性质。(2)Yb2-xAlx(MoO4)3(x=1.8-2.0)与纯Al2Mo3O12样品晶体结构一样，常温下是单斜相结构，不显示负热膨胀效应，但是随着温度的升高，样品从单斜相转向正交相转变，显示负热膨胀效应。研究发现，通过掺杂Yb3+，能有效的降低Al2Mo3O12的相变温度。