付林杰，麻華麗

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 河南 鄭州 450046）

Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料的熱膨脹性能研究

付林杰，麻華麗

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 河南 鄭州 450046）

自然界的材料大部分都具有熱脹冷縮性質(zhì)，無(wú)法滿足科技發(fā)展的對(duì)材料性能的要求。而負(fù)熱膨脹材料的熱縮冷脹性質(zhì)可以與正膨脹材料復(fù)合，得到零膨脹或者可控膨脹材料。研究發(fā)現(xiàn)，ZrScMo2VO12復(fù)合材料在非常大的溫度范圍內(nèi)（150-823 K）具有優(yōu)異的負(fù)熱膨脹性質(zhì)。金屬鋁的導(dǎo)電性和延展性非常好，但是熱膨脹系數(shù)比較大，性能、壽命受限。文章將金屬Al與ZrScMo2VO12材料復(fù)合，并對(duì)其熱膨脹性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：金屬Al與ZrScMo2VO12復(fù)合后，明顯降低了Al的熱膨脹系數(shù)。

Al；ZrScMo2VO12；復(fù)合材料；負(fù)熱膨脹

1 引言

大部分材料都有熱脹冷縮的性質(zhì)，這在生活中會(huì)給我們帶來(lái)許多問(wèn)題。不同的材料的熱膨脹系數(shù)不同，即使是同一種材料，其表面和內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)也往往具有一定的差異，這就會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力[1-5]。而熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料或器件性能變差，給人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便。然而，在自然界中很難找到熱膨脹系數(shù)為零或接近零的材料，將負(fù)熱膨脹材料和正熱膨脹復(fù)合可以制備出近零膨脹材料，從而減少材料的熱應(yīng)力，提高材料的性能[1-4]。

2 ZrScMo2VO12的制備

本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)方法是固相反應(yīng)法，實(shí)驗(yàn)所用的原料是：三氧化鉬（MoO3）純度99.5%分子量143.95；五氧化二釩（V2O5）純度99.6%分子量181.88；二氧化鋯（ZrO2）純度不少于99%分子量123.22；氧化鈧（Sc2O3）純度99.9%分子量137.91。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）取出所需藥品，按藥品的物質(zhì)的量之比ZrO2∶Sc2O3∶MoO3：V2O5=2∶1∶4∶1的比例配置藥品，稱量。（2）將稱量好的藥品放入研缽中，研磨攪拌1小時(shí)左右，再加入無(wú)水乙醇研磨，直至將無(wú)水乙醇全部揮發(fā)，將藥品磨成干粉狀。再把藥品放入干燥箱中干燥1小時(shí)。干燥溫度為60攝氏度。（3）將藥品磨好后，將藥品壓片。用直徑為1cm的模具和型號(hào)為769YP-15A干粉壓片機(jī)將藥品壓成厚度約為3.5mm的片狀素胚，壓力為30MPa。（4）將壓好的素胚放入坩堝中，放入型號(hào)為XD-1200N的馬弗爐中加熱，時(shí)間設(shè)置為2.5小時(shí)升到800攝氏度，保溫5小時(shí)，然后冷卻至室溫，將目標(biāo)樣品取出。（5）將目標(biāo)樣品放入研缽中，充分研磨，磨成干粉狀，再次壓片（注：不用加無(wú)水乙醇），然后再放入爐中按第4步中的加熱方法加熱，冷卻至室溫，得到最終的目的樣品。

3 Al與ZrScMo2VO12材料的復(fù)合

（1）將已經(jīng)做成的ZrScMo2VO12材料研磨成干粉狀，然后稱其質(zhì)量，將Al與ZrScMo2VO12按物質(zhì)的量之比Al∶ZrScMo2VO12=1∶1的比例混合研磨1小時(shí)左右（注：實(shí)驗(yàn)所用的Al粉相對(duì)分子質(zhì)量為26.98，純度為不少于99%），再加入無(wú)水乙醇研磨（無(wú)水乙醇的量剛好淹沒藥品），研磨1～2小時(shí)，至藥品為干粉狀。（2）還用上述試驗(yàn)的模具與壓片機(jī)壓片，步驟相同，樣品體積相同。操作規(guī)范相同。（3）待素胚完成后，開始燒結(jié)，溫度設(shè)置為2小時(shí)升至600攝氏度，保溫5小時(shí)，冷卻至室溫，再研磨，二次燒結(jié)，得到目的樣品。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 樣品的宏觀形貌

本實(shí)驗(yàn)采用的樣品制備方法是固相反應(yīng)法，做出來(lái)的樣品為直徑1cm高度為3.5mm的圓柱狀，ZrScMo2VO12顏色為黃色，Al與ZrScMo2VO12復(fù)合的樣品呈青黃色。樣品質(zhì)地均勻，無(wú)裂紋。

4.2 X射線衍射分析

圖1是用固相法在800oC下制備的ZrScMo2VO12樣品的XRD圖譜，其中測(cè)試角度為10～80度，說(shuō)明所做的樣品材料較純，是ZrScMo2VO12[5-6]。圖2是Al與ZrScMo2VO12物質(zhì)的量之比1∶1溫度600oC燒結(jié)5h制備的復(fù)合材料的XRD圖譜。

圖1 ZrScMo2VO12的XRD圖譜(800oC燒結(jié)5h)

圖2 Al與ZrScMo2VO12物質(zhì)的量之比1∶1溫度600oC燒結(jié)5h制備的復(fù)合材料的XRD圖譜

4.3 樣品的微觀形貌

樣品制備出來(lái)，我們往往要觀察一下它們的微觀形貌，從而更好地分析樣品的一些性質(zhì)，我們用的是掃描電鏡（SEM）來(lái)觀察樣品的微觀形貌。其中，圖3為600攝氏度下燒結(jié)的ZrScMo2VO12的電鏡照片，圖4為800攝氏度下燒結(jié)的ZrScMo2VO12的電鏡照片，圖5為Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料在600攝氏度的掃面電鏡圖片。從SEM圖中可以觀察到，樣品的表面分布均勻，空隙少，結(jié)晶好。

圖3 600oC下燒結(jié)制備的ZrScMo2VO12的SEM圖

圖4 800oC下燒結(jié)制備的ZrScMo2VO12的SEM圖

圖5 600oC下燒結(jié)Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料

4.4 ZrScMo2VO12材料的熱膨脹分析

使用高溫?zé)崤蛎泝x對(duì)800℃制備的ZrScMo2VO12樣品進(jìn)行了相對(duì)長(zhǎng)度隨溫度變化的關(guān)系的測(cè)試，來(lái)表征熱膨脹性質(zhì)，首先測(cè)出樣品原始長(zhǎng)度L，然后調(diào)零儀器并開始測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試溫度是從0℃～400℃，結(jié)果如圖6所示。通過(guò)公式計(jì)算出樣品的線線膨脹系數(shù)aL=(1/Lo)·(dL/dT)=-3.188×10-6℃-1。

從圖中可以看出，圖像在0℃～400℃內(nèi)近似呈一條斜線，樣品的相對(duì)長(zhǎng)度隨溫度的升高而降低，表現(xiàn)負(fù)熱膨脹性質(zhì)。從圖中可以看到，ZrScMo2VO12材料在0℃～400℃表現(xiàn)出來(lái)的負(fù)熱膨脹性能較為均勻。

圖6 ZrScMo2VO12（800℃ 5h）材料的熱膨脹曲線

4.5 Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料的熱膨脹性質(zhì)的研究

使用高溫?zé)崤蛎泝x對(duì)600℃下制備的Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料進(jìn)行相對(duì)長(zhǎng)度隨溫度變化的關(guān)系的測(cè)試，Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料的測(cè)試的溫度范圍為0℃～400℃，線膨脹系數(shù)為aL=-1.597×10-6℃-1

從圖7中可以看出Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料在150℃～400℃表現(xiàn)出明顯的負(fù)熱膨脹性質(zhì)。Al的熱膨脹系數(shù)約為23×10-6℃-1，而與ZrScMo2VO12材料按比例1∶1復(fù)合后，熱膨脹系數(shù)變?yōu)?1.597×10-6℃-1，可見Al的熱膨脹系數(shù)降低了許多，且中間過(guò)渡到了負(fù)值，所以一定有一個(gè)比例可以使Al與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為0，下一步，我們繼續(xù)嘗試不同比例的復(fù)合，探索低膨脹或零膨脹的Al的復(fù)合材料。

圖7 Al與ZrScMo2VO12復(fù)合材料（600℃ 5h）的熱膨脹曲線

負(fù)熱膨脹材料和正膨脹材料復(fù)合，可以得出性能零膨脹或近零膨脹材料，克服熱應(yīng)力，使各方面性能更加優(yōu)異，這在工業(yè)生產(chǎn)、精密儀器儀表、航天航空領(lǐng)域有很大的研究潛力。

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TB34 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）02-0011-03

付林杰（1987-），女，漢，河南商丘人，河南鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：負(fù)熱膨脹材料。