低膨脹ZrO-,2--ZrW-,2-O-,8-復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、新型負熱膨脹(Negative Thermal Expansion，簡稱NTE)材料ZrW<,2>O<,8>是近年來新材料領(lǐng)域的研究熱點之一，該材料在0.3～1050K的廣闊溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的各向同性負熱膨脹效應(yīng)，其負熱膨脹系數(shù)高達．8.9×10<'-6>K<'-1>。ZrW<,2>O<,8>及其復(fù)合材料在微電子、光學、光纖通訊、醫(yī)用器材、航空航天、發(fā)動機部件和精密機械等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價值。 本研究在國家自然科學基金的

2、資助下，采用機械混合和原位反應(yīng)兩種方法成功制備了熱膨脹系數(shù)極低的ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料。機械混合法以ZrO<,2>和ZrW<,2>O<,8>為原料，將ZrO<,2>與ZrW<,2>O<,8>按一定比例混合球磨在1200℃燒結(jié)24h制備ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料；原位反應(yīng)法以ZrO<,2>和WO<,3>為原料，通過調(diào)整兩者之間的比例，利用燒結(jié)過程中生成ZrW<,2>O<,8>來達到降低基體材

3、料熱膨脹系數(shù)的目的。結(jié)果表明，兩種方法都可以制備熱膨脹系數(shù)極低的ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料。機械混合法制備ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料中，當ZrO<,2>與ZrW<,2>O<,8>的質(zhì)量比為2：1即ZrW<,2>O<,8>的體積分數(shù)為37％時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近于零；原位反應(yīng)法制備ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料中，當ZrO<,2>與WO<,3>質(zhì)量比在2.5～3之間即Zr

4、W<,2>O<,8>的理論體積分數(shù)在35％～40％之間時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較低，與機械混合法相比，原位反應(yīng)法具有省時的優(yōu)點，而且產(chǎn)物的致密度較高，氣孔率較低。研究中通過對比復(fù)合材料的理論熱膨脹系數(shù)和實際熱膨脹系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間有背離，理論值大于實際值。 雖然機械混合法和原位反應(yīng)制備的ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料具有優(yōu)異的低膨脹性能，但是都存在致密度不高、氣孔率較大的缺點。研究采用納米ZrO<,2>代替微米

5、級ZrO<,2>和添加少量Al<,2>O<,3>兩種方法，來克服復(fù)合材料致密度不高的缺點。結(jié)果表明，相同條件下納米ZrO<,2>代替微米級，ZrO<,2>制備ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料，能有效降低了基體材料ZrO<,2>的燒結(jié)溫度，提高復(fù)合材料的致密度，還可以抑止燒結(jié)過程中ZrW<,2>O<,8>顆粒的異常長大；少量．Al<,2>O<,3>的加入可以顯著改善ZrO<,2>/ZrW<,2>O<,8>復(fù)合材料的燒結(jié)性能

6、，在不影響復(fù)合材料優(yōu)良熱膨脹性能的前提下促進材料的致密化，Al<,2>O<,3>的加入量以0.35wt％為宜。Al<,2>O<,3>添加劑促進燒結(jié)的機理可以歸結(jié)于燒結(jié)過程中Al<,2>(WO<,4>)<,3>液相的生成以及Al<,2>O<,3.-ZrO<,2>有限置換固溶體形成導(dǎo)致的晶格缺陷，加快了粒子擴散的速率。 此外，研究還分別采用燃燒法和分步加熱固相法成功制備了純度較高的ZrW208粉體。燃燒法合成ZrW<,2>O<,8>

7、的最佳配比：爐溫在500℃，(NH<,4>)<,5>H<,5>[H<,2>(WO<,4>)<,6>]H<,2>O與ZrOCl<,2>·8H<,2>O的摩爾比為1：3．2，CH<,4>N<,2>O與(NH<,4>)<,5>H<,5>[H<,2>(WO<,4>)<,6>]·H<,2>O和ZrOCl<,2>·8H<,2>O的質(zhì)量比為2：1，硼酸的質(zhì)量分數(shù)為0.10。該方法合成的ZrW<,2>O<,8>在50℃～700℃平均線膨脹系數(shù)α～-5.