【摘 要】
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自然界中绝大多数材料都表现出“热胀冷缩”的现象。材料的这一特性在给人类提供诸多便捷的同时,也给现代生活带来很多困扰,比如会产生热应力、会影响精密零部件的精确度。负热膨胀材料由于具有反常热膨胀性质,自上世纪50年代发现后,受到国际上广泛关注。然而到目前为止,负热膨胀材料研究依然处于实验阶段,负热膨胀性能优异的材料还很少,具有实际应用价值的更少。所以,制备出具有优异的负热膨胀性能的材料是本论文的一项重
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自然界中绝大多数材料都表现出“热胀冷缩”的现象。材料的这一特性在给人类提供诸多便捷的同时,也给现代生活带来很多困扰,比如会产生热应力、会影响精密零部件的精确度。负热膨胀材料由于具有反常热膨胀性质,自上世纪50年代发现后,受到国际上广泛关注。然而到目前为止,负热膨胀材料研究依然处于实验阶段,负热膨胀性能优异的材料还很少,具有实际应用价值的更少。所以,制备出具有优异的负热膨胀性能的材料是本论文的一项重要任务。所谓负热膨胀性能优异,有以下几项要求:（1）负热膨胀温度区间在室温附近;（2）负热膨胀温度区间宽度较大;（3）负热膨胀系数较大;（4）各向同性且性质稳定。为得到性能优异的负热膨胀材料,本文从两个方向进行了探索。一是考虑通过调控负热膨胀材料的晶粒尺寸,实现对Mn3.1Zn0.5Sn0.4N材料负热膨胀温度区间的平移和拉宽。二是考虑通过调控反钙钛矿型负热膨胀材料Mn3AN中A位掺杂元素的元素配比,对Mn3（MnxZnySnz）N（x+y+z=1）系列负热膨胀材料的热膨胀性能进行了系列研究。这一负热膨胀行为,使负热膨胀材料可以作为膨胀性能调节剂制备复合材料。本文将前期获得的性能优异的负热膨胀材料与纯铝基体复合,制备出了具有近零膨胀性能的铝基复合材料,在一定温度区间内,复合材料的热膨胀系数接近0×10-6K-1。为提高复合材料的综合性能,本论文探索了通过调控负热膨胀材料增强体粒径尺寸配比,提高复合材料力学性能。这种方法,不仅发现了增强体粒径配比对力学性能的影响,还发现了其对导热性能的影响规律。（1）本文以Mn粉、Zn粉、Sn粉以及高纯氮气为原材料,在管式炉中烧结出了常规尺寸的Mn3.1Zn0.5Sn0.4N负热膨胀材料。然后通过球磨机以250r/min球磨10～30H,制备出了纳米尺寸的负热膨胀材料粉末。最后利用SPS技术,在800℃下加压50MPa烧结出了纳米尺寸晶粒的Mn3.1Zn0.5Sn0.4N负热膨胀材料。此中,随着球磨时间的延长,材料越不易出现负热膨胀现象。球磨10H的粉末颗粒尺寸达到10nm,烧结体的负热膨胀温度区间向低温区移动,证明尺寸效应会对负热膨胀材料的热膨胀性能产生影响。（2）通过调控Mn3（MnxZnySnz）N（x+y+z=1）系列负热膨胀材料中x、y、z的含量,探索了掺杂元素的含量对负热膨胀材料热膨胀性能的影响。本文中,先后制备出了Mn3(MnxZn0.5Sn0.5-x)N（x=0.1,0.2,0.3）、Mn3(Mn0.1Zn0.9-xSnx)N（x=0.3,0.4,0.5）、Mn3(Mn0.2Zn0.8-xSnx)N（x=0.2,0.3,0.4）、Mn3(Mn0.3Zn0.7-xSnx)N（x=0.1,0.2,0.3）系列负热膨胀材料,并对其热膨胀行为进行表征。结果表明,通过对掺杂元素含量的调控,可以制备出性能优异的负热膨胀材料,使得负热膨胀温度区间在室温附近、具有较宽的温区且负热膨胀系数较大。对于Mn3（MnxZnySnz）N（x+y+z=1）系列负热膨胀材料,Mn元素、Zn元素、Sn元素的含量对负热膨胀温度区间有明显的影响:随着Mn元素含量的增高,材料的负热膨胀温度区间向低温区移动;当Mn元素含量一定时,随着Sn元素含量的降低、Zn元素含量的升高,材料的负热膨胀温度区间向低温方向移动。（3）将性能优异的负热膨胀材料与铝基体复合,制备出了近零膨胀的铝基复合材料。将负热膨胀材料与纯铝粉充分混合后,在真空热压炉中450℃加压400MPa,成功制备出膨胀系数接近0×10-6K-1的复合材料。通过调控增强体的粒径配比,发现了粒径配比对材料力学性能和导热性能的影响:小尺寸颗粒占比较高的复合材料有较高的抗拉强度,大尺寸颗粒占比较高的复合材料具有较好的塑性;大尺寸颗粒占比较高的复合材料有较好的导热性能和较高的热扩散系数。
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