Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73制备、结构、热膨胀性能、热缩机制及与Al复合研究

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大多数材料具有“热胀冷缩”性质,不同材料制成的器件受热后会由于膨胀系数不匹配而出现热应力、微裂纹等,使器件的一些物理性能下降,甚至无法使用。而负热膨胀材料可以和普通的正热膨胀材料复合,制备出可控热膨胀甚至零膨胀的材料,以解决膨胀系数不匹配问题,具有很好的潜在应用价值。目前发现的负热膨胀材料仍然存在很多不足,比如原料昂贵,制备工艺复杂,负热膨胀温区窄或不包含常用温度区间等。因此,很有必要寻找一种易于制备,成本较低,在宽温度范围内具有稳定负热膨胀性能的材料。  本文利用固相烧结首次制备出新的负热膨胀材料 Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73,对其结构、热膨胀性能和热缩机理进行了研究,并将其与 Al复合制备出Al/Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73复合材料。主要工作和结果如下:  (1)固相烧结首次制备出Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73,它至少在103–773 K温度范围表现出稳定的负热膨胀性能。平均线膨胀系数分别为-3.75×10-6 K-1(163–673 K),-4.08×10-6 K-1(RT–773 K),本征热膨胀系数为-3.84×10-6 K-1(103–473 K),-4.22×10-6 K-1(RT–673 K);  (2)Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73晶体具有立方相结构,属于Pa-3(No.205)空间群,α=8.93063,V=712.273163。晶体由准刚性的ZrO6八面体与MoO4和 VO4四面体共顶角连接,其热缩机理可用准刚性单元模型(QRUMs)来解释:随着温度持续升高,多面体振动不断加剧,MoO4和 VO4四面体倾斜旋转,导致ZrO6八面体扭曲变形,引起整个晶体结构的畸变,晶胞体积不断减小,宏观上变现为负热膨胀。Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73相变温度的下降可以归因于立方相ZrMo2O8结构的引入和Zr(4a)位空位的产生。  (3)使用固相烧结法制备出 Al/Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73复合金属陶瓷,样品由Al和Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73组成,不含其它杂相。调节其Al含量可以连续调控复合材料的热膨胀系数。同时,可调控其阻抗:Al含量较小时,复合陶瓷呈电容特性, Al含量较大时,呈现电阻特性。特别地,当 Al:Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73=4:6时,复合金属陶瓷不仅具有很好的导电性,且其线热膨胀系数不到 Al的二分之一。复合金属陶瓷 Al/Zr0.70V1.33Mo0.67O6.73具有很好的应用前景。
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