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随着环境温度的变化发生“热缩冷胀”的材料称为负热膨胀(Negativethermalexpansion,简称NTE)材料。负热膨胀材料研究是材料科学中近年来新兴的学科分支,其中A2M3O12系列是很重要的一类负热膨胀材料,该系列化合物最大的特点就是其成分灵活多变,A离子的位置可由尺寸从Al3+(半径为0.675(A))到Gd3+(半径为1.075(A))的任何三价阳离子替代。因此可以方便地通过不同元素的替代与掺杂得到热膨胀系数可控的材料,同时也可将其与正热膨胀材料复合制备近零膨胀的复合材料,其在电子学、光学、微电子、医用材料、光纤通讯系统等领域具有广阔的应用前景。
本文以Sc2O3,WO3和MoO3为原料,采用分步固相法制备了负热膨胀材料Sc22W3O12和Sc2Mo3O12,实验表明,采用固相法成功合成了高纯度正交晶系结构的Sc2W3O12和Sc2Mo3O12。在室温～1200℃温度范围内Sc2W3O12无相变,不发生分解,其在30～800℃内平均热膨胀系数为-5.60×10-6℃-1。Sc2Mo3O12在约1116℃发生分解,并且烧结温度显著地影响Sc2Mo3O12的负热膨胀性能,随着烧结温度从900℃C增加到1100℃,样品在室温～600℃内平均热膨胀系数从-4.49×10-6℃-1变化到-5.83×10-6℃-1。
针对A2M3O12系列材料成分灵活多变的特性,以Al2O3、Sc2O3和WO3粉末为原料,通过固相反应法合成Al2-xScxW3O12(x=0～2)系列固溶体,实验表明,所有的样品都具有正交结构,由于Al3+和Sc3+半径不同,室温下随着稀土钪(Sc)含量的增加,晶体的晶胞参数与晶胞体积逐渐增大。Al2-xSCxW3O12的平均热膨胀系数在1.24×10-6℃-1和-5.60×10-6℃-1之间变化,说明通过调整材料的组成可以将其热膨胀系数控制为一定的正值、近零或负值。
利用A2M3O12系列材料热稳定性高的特点,以Sc2W3O12为例,将ZrO2与Sc2W3O12按一定比例混合,在1200℃烧结10h制备Sc2W3O12/ZrO2复合材料。实验表明,样品组元为正交相Sc2W3O12和单斜相ZrO2;在30～600℃内,Sc2W3O12/ZrO2复合材料的热膨胀系数皆线性一致,并且通过改变Sc2W3O12的体积分数,其热膨胀系数可以控制为正、负或零。其中60%体积含量Sc2W3O12/ZrO2复合材料在30～600℃平均热膨胀系数为0.026×10-6℃-1,近似为0。