低热膨胀氧化物陶瓷(Ta,Nb)2WO8与K2Zr2P2SiO12的合成、结构及机制研究

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在航天器、精密电子器件、天文望远镜镜面等高精尖技术领域,工作温度的波动带来的材料热膨胀急剧变化会极大影响精确度和使用寿命。解决这一问题的有效办法是:设计宽温区零/低热膨胀单相化合物。但是,此类化合物比较少,相关物理机制不清晰。因此本文基于框架结构灵活性探索新的宽温区低热膨胀材料,研究其热膨胀机理并表征了其它物理性能。采用固相烧结法制备出单相零/低热膨胀材料Ta2WO8,其在300-1000 K的宽温区内表现出零/低热膨胀特性(αl=-1.69×10-6 K-1),并且没有吸水性和相变。Ta2WO8是正交结构,bc平面内TaO7十面体和周围5个TaO6八面体通过共边连接,沿a轴方向氧原子连接2个相同Ta原子形成三维框架结构。温度升高时,Ta3O6八面体与周围多面体形成的菱形隧道具有较大的空间和柔性,氧原子的横向热振动更加明显,带动着Ta3-O9-Ta3键角剧烈收缩从而导致a轴产生负热膨胀,弥补了b轴和c轴的正热膨胀。变压拉曼表明,与Ta-O-Ta键中氧原子平动相关的低频晶格模具有负的格林艾森参数,和氧原子的横向振动共同作用导致了Ta2WO8在300-1000 K宽温区的零/低热膨胀。紫外可见漫反射光谱测试和密度泛函理论计算都表明Ta2WO8具有半导体性质。通过固相烧结法制备了Nb2WO8陶瓷材料,其在173-1073 K表现出线性低热膨胀特性(al=2.30×10-6 K-1),而且没有吸水性和相变。Nb2WO8属于正交晶系,bc平面内NbO7十面体和周围5个NbO6八面体共边连接形成重复单元,a轴方向氧原子连接2个Nb原子。升温过程中Nb2-O2-Nb2键角减小导致a轴的负热膨胀程度不如b轴和c轴的正热膨胀剧烈,从而体相表现出低热膨胀特性。变压拉曼表明多面体的平移旋转模态对低热膨胀起关键作用。紫外可见漫反射光谱显示Nb2WO8的禁带宽度为2.66 eV,属于半导体。使用球磨法和固相法结合的方式制备出NZP体系中的一种低热膨胀材料K2Zr2P2Si O12,其在300-1073 K温区内表现出低热膨胀特性(αl=2.43×10-6 K-1),同时具备无吸水性、无相变等特点。变温拉曼显示111 cm-1处的拉曼峰发生蓝移,说明PO4四面体和ZrO6八面体的平动和天平动对其低热膨胀有贡献。另外,K2Zr2P2Si O12的电阻率随温度升高而降低,1100 K时其电阻率为2000Ω·m。
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