AM2O7負熱膨脹材料的晶體結構、熱縮機理及功能化研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，在航空航天、精密測量和光電子器件等領域，對材料的熱穩(wěn)定性要求越來越高。然而由于材料熱脹冷縮帶來的熱應力會造成器件的性能下降、壽命縮短等問題，已經(jīng)成為影響器件性能穩(wěn)定和精度的一個突出問題。負熱膨脹材料具有調(diào)控材料熱膨脹系數(shù)、設計制造近零膨脹材料的先天優(yōu)勢，近年來受到越來越多的關注。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有負熱膨脹性質的材料已經(jīng)有很多，但材料的推廣應用還不夠廣泛。阻礙負熱膨脹材料推廣應用的主要原因有：材料的制備工藝復

2、雜，不適合批量生產(chǎn)；隨著溫度的升高，有些材料的負熱膨脹性質容易受到諸如結構相變、吸水性等的影響；另外，目前負熱膨脹材料的功能也較為單一等。使用簡單、易操作的制備工藝，設計、合成具有穩(wěn)定的負熱膨脹性質，又兼具一定電學、光學或磁學功能特性的材料具有重大的現(xiàn)實意義。本論文選取頗具資源優(yōu)勢的AM2O7系列負熱膨脹材料，對它們的晶體結構、熱縮機理進行研究，并采用簡單、易操作的制備工藝合成了熱膨脹性能優(yōu)異又兼具一定電學、光學性質的復合材料。本論文主

3、要創(chuàng)新點和結果如下：
　　(1)對α-Cu2V2O7的負熱膨脹性質、熱縮機理和電學性質進行研究。結果驗證了α-Cu2V2O7從室溫到約470 K的溫度范圍內(nèi)性能優(yōu)良的線性負熱膨脹性質，這主要跟剛性多面體的扭轉相關；發(fā)現(xiàn)了材料在470 K至610 K的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)為非線性的負熱膨脹性質，負熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高逐漸減小，這主要是由Cu2+的d9 Jahn-Teller效應、氧缺陷等綜合作用引起的晶格的畸變造成的；電學性質的研究驗

4、證了α-Cu2V2O7具有一定的半導體性質，這個結果意味著金屬基α-Cu2V2O7復合材料可能會比金屬基其他介電型負熱膨脹復合材料在導電性方面具有一定的優(yōu)勢。
　　(2)對CuZnV2O7的負熱膨脹性質、熱縮機理和光學性質進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，Zn元素的引入可以大大降低α-Cu2V2O7在470至610 K溫度范圍內(nèi)，因Cu2+的d9 Jahn-Teller效應引起的晶格畸變，從而擴展了材料的負熱膨脹溫度區(qū)間，或者說是優(yōu)化了α-Cu

5、2V2O7的負熱膨脹性能；CuZnV2O7在室溫到至少773 K的溫度范圍均表現(xiàn)出優(yōu)異的線性負熱膨脹性質，熱膨脹儀測試的平均線性熱膨脹系數(shù)可達-5.28?10-6 K-1。光學性質研究表明，CuZnV2O7具有很寬的紫外可見吸收光譜，計算的光學帶隙約為1.59 eV，即仍具有一定的半導體性質，而且CuZnV2O7的室溫光致發(fā)光光譜在450–650 nm波段表現(xiàn)為典型的寬帶復合發(fā)光光譜，色坐標為(0.33,0.49)，屬于黃綠光。

6、　　(3)使用固相合成法制備了不同Al含量的α-Cu2V2O7/Al復合材料，并對它們的熱膨脹性質和電學性質進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，通過控制Al的含量，α-Cu2V2O7/Al復合材料的熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)出良好可調(diào)節(jié)性能。當Al的含量為10 wt.％時，α-Cu2V2O7/Al復合材料的線性熱膨脹系數(shù)為0.49×10-6 K-1（RT–780 K），接近零膨脹；當Al的含量大于30 wt.%時，α-Cu2V2O7/Al復合材料表現(xiàn)出良好的導電性

7、，這是因為α-Cu2V2O7/Al復合材料中金屬Al的滲流和電子導電的趨膚效應造成的；關于材料密度和維氏硬度的經(jīng)驗公式也通過數(shù)據(jù)擬合的方法給出，可以作為固相合成工藝制備可控熱膨脹復合導電材料α-Cu2V2O7/Al的基礎性儲備知識。
　　(4)使用固相原位合成法制備了HfV2O7/HfMo2O8復合材料，并對它的組織結構、負熱膨脹性質和光學性質進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，復合材料主要由HfV2O7（立方結構，空間群Pa3-205）和HfM

8、O2O8（三斜結構，P31c-163）組成，含有微量的HfV2-δMoδO7+0.5δ、HfMo2-δ′Vδ′O8-0.5δ′以及亞穩(wěn)定的HfMO2O8（單斜結構，C2/c-15）；微量的元素替換造成的晶格畸變、晶粒中的微觀應變促使兩種結構的相互影響，以及氧缺陷等，綜合抑制了室溫下HfV2O7中3?3?3超結構的形成；材料在室溫至（至少）673 K的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的負熱膨脹性質，熱膨脹儀測試的線性熱膨脹系數(shù)約為-3.09?10-6