可控膨脹材料HfMgWxMo3-xO12的研究

王獻(xiàn)立，付林杰，于占軍，陳冬霞，許 坤

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心 河南 鄭州 450046）

1 引言

近年來，隨著人們對(duì)材料機(jī)械性能要求的提高，對(duì)負(fù)熱膨脹材料的研究發(fā)現(xiàn)越來越重視。負(fù)熱膨脹材料具有與普通材料熱脹冷縮相反的性能，有望在光學(xué)、航空航天、電子封裝、醫(yī)學(xué)、日常生活等諸多領(lǐng)域得以利用[1-2]。在負(fù)熱膨脹材料應(yīng)用過程中為了減小材料內(nèi)部的熱應(yīng)力，增加材料的機(jī)械性能，探索制備出膨脹系數(shù)為零或者接近零的材料，以及與基材膨脹系數(shù)匹配的材料成為負(fù)熱膨脹材料研究領(lǐng)域中非常重要的內(nèi)容[3-5]。

在眾多負(fù)熱膨脹材料中，A2M3O12（A=Y,Yb,Er,M=Mo,W）系列由于其具有較大的負(fù)熱膨脹性，受到廣泛關(guān)注，在此系列材料制備過程中，選擇不同的離子在A（Fe,Al,Cr, HfMg,ZrMg）位或者M(jìn)位進(jìn)行元素?fù)诫s，實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)的調(diào)控，使得制備出具有零膨脹系數(shù)或者近零膨脹系數(shù)的材料成為可能[6-8]。HfMgW3O12從室溫到700℃顯示為較低的負(fù)熱膨脹性，其線性熱膨脹系數(shù)為-0.77×10-6℃-1[9],HfMgMo3O12從25℃到740℃之間內(nèi)顯示為較低的正熱膨脹性，其熱膨脹系數(shù)為1.02×10-6℃-1[10], 對(duì)固溶體HfMgWxMo3-xO12的膨脹系數(shù)的研究目前較少。本實(shí)驗(yàn)采用固相法合成HfMgW3O12和HfMgMo3O12,并成功制備出HfMgWxMo3-xO12固溶體，通過XRD、拉曼光譜研究隨W摻入的逐漸增多對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)的影響，利用熱膨脹儀測定材料的宏觀熱膨脹系數(shù)，通過摻入W含量變化實(shí)現(xiàn)膨脹系數(shù)可調(diào)的HfMgWxMo3-xO12系列固溶體。

2 實(shí)驗(yàn)部分

以分析純HfO2、MgO、WO3、Mo3為原料按一定的摩爾比稱量、混合研磨2 h，采用固相燒結(jié)法，在管式爐中于1 100℃溫度下燒結(jié)3 h制備出HfMgW3O12；在箱式爐中于900℃溫度下燒結(jié)3 h制備出HfMgMo3O12。利用HfMgW3O12、HfMgMo3O12，根據(jù)x=0、0.5、1、1.5、2、2.5、3按一定的W、Mo摩爾比混合在研缽中研磨2 h制備出HfMgWxMo3-xO12粉末。將混合后的原料用單軸壓片機(jī)壓入10 mm模具，壓力約為200 MPa,得到圓柱形素胚體。把所得圓柱形素胚體放入箱式爐中以3 ℃/min的升溫速率從室溫升至800 ℃，保溫8 h后，自然降溫得到所需樣品HfMgWxMo3-xO12。

采用X射線衍射儀進(jìn)行了X射線衍射(XRD)測量，以鑒定樣品晶相；拉曼光譜儀常溫下測定樣品的物相結(jié)構(gòu)；利用熱膨脹儀測量樣品的線膨脹系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖1為HfMgMo3-xWxO12（x=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3）時(shí)的XRD譜圖。隨著W的含量的增加，當(dāng)x≥1時(shí)，在23.5o的位置出現(xiàn)小峰，標(biāo)志著固溶體為正交相結(jié)構(gòu)。圖2拉曼光譜顯示x≥1時(shí)，波數(shù)為264 cm-1、705 cm-1、1 021 cm-1處出現(xiàn)新峰，且隨著x的增大逐漸增加，標(biāo)志著x≥1時(shí)HfMgMo3-xWxO12為正交相。0.5≥x時(shí)該固溶體為單斜相結(jié)構(gòu)，該固溶體在1≥x≥0.5之間發(fā)生了單斜相到正交相的相變。

圖1 HfMgMo3-xWxO12（x=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3）時(shí)的XRD譜圖

3.2 熱膨脹性

用膨脹儀測量了HfMgMo3-xWxO12（x=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3）的相對(duì)長度變化(圖2)。研究發(fā)現(xiàn)x=0、0.5、1.0、1.5、2.0時(shí)，HfMgMo3-xWxO12的CTE或NTE性能都很低。特別是HfMgMo2.5W0.5O12和HfMgMo2WO12的熱膨脹率接近于0，分別為α0.5=-3.08×10-7℃-1、α1=-1.64×10-7℃-1。

圖2 HfMgMo3-xWxO12系列材料的部分比例的相對(duì)長度隨溫度的變化曲線

4 結(jié)論

采用固相燒結(jié)法合成了HfMgMo3-xWxO12（x=0、0.5、1.0、1.5、1.5、2.0、2.5、3）的固溶體。通過XRD及拉曼光譜研究表明，1≥x≥0.5之間發(fā)生了單斜相到正交相的相變。隨W含量的增加該系列材料的膨脹系數(shù)明顯變化，HfMgMo2.5W0.5O12和HfMgMo2WO12的熱膨脹率接近于零，分別為α0.5=-3.08×10-7℃-1、α1=-1.64×10-7℃-1（20～480℃）。這種具有近零膨脹性能的材料有望在光學(xué)、航空航天、電子封裝等諸多領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。