Sc2－xGaxW3O12體系負熱膨脹性能研究*

劉福生陳賢鵬 謝華興 敖偉琴 李均欽

(深圳市特種功能材料重點實驗室，深圳大學材料學院，深圳518060)

(2009年7月16日收到;2009年9月9日收到修改稿)

Sc2－xGaxW3O12體系負熱膨脹性能研究*

劉福生?陳賢鵬 謝華興 敖偉琴 李均欽

(深圳市特種功能材料重點實驗室，深圳大學材料學院，深圳518060)

(2009年7月16日收到;2009年9月9日收到修改稿)

通過固相反應法，在1100℃下成功制備出了系列Ga摻雜Sc2－xGaxW3O12(x=0，0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，0.8)固溶體.X射線粉末衍射結構精修表明，Ga以替代Sc的形式成功進入Sc2－xGaxW3O12晶格，但不能獲得端元組分Ga2W3O12化合物.晶胞參數的精修結果表明所有樣品均具有負膨脹性能;隨著Ga摻雜量的增加，固溶體Sc2－xGaxW3O12的晶胞參數a，c及晶胞體積隨之收縮，而晶胞參數b則隨之增大，固溶體Sc2－xGaxW3O12的平均體膨脹系數絕對值隨之減小.在室溫—300℃之間，隨著溫度的增加，體積膨脹系數絕對值急劇減小，而在300—800℃之間基本保持穩定，當溫度大于800℃時，體積膨脹系數絕對值繼續減小，逐漸向零膨脹靠近，并具有向正膨脹轉化的趨勢.

負熱膨脹，熱膨脹系數，Rietveld結構精修

PACC:6110M，6570

1. 引言

負熱膨脹材料是指在一定溫度范圍內的平均線膨脹系數或體膨脹系數為負值(negative thermal expansion，NTE)的一類材料.自然界中大多數材料都具有隨環境溫度變化而發生熱脹冷縮的特性，但也有極少數材料擁有異常的熱膨脹性質.這類材料具有巨大的潛在應用前景，例如可以利用此類負熱膨脹材料復合制備各種各樣超低膨脹系數、甚至零膨脹系數、且具有特定功能的復合材料，在微電子器件材料、精密光學鏡面、醫用器材、傳感器、航空航天、發動機部件和精密機械等領域都具有十分重要的應用價值.

1996年，Sleight等報道了ZrW2O8系列的負熱膨脹材料在0—1050K范圍內均表現為各向同性的負熱膨脹效應［1］，自此人們對負膨脹材料的研究工作進入了一個嶄新的階段，相繼發現了以ZrV2O［2］7為代表的AM2O7系列、以ZrW2O8為代表的AM2O8系列、沸石系列、以CuScO［3，4］2為代表的AMO2系列，及以Sc2W3O12為代表的稀土鎢酸鹽和鉬酸鹽A2M3O［5］12系列等.除氧化物外，一些金屬間化合物也發現有負熱膨脹性能［6，7］.Sc2W3O12是典型的稀土鎢酸鹽負熱膨脹材料，Sleight等［8］在1998年報道了有關該材料的負熱膨脹研究工作固相反應工藝，以氧化鈧和三氧化鎢粉體為原料，經過反復研磨混合后，在1373K下進行燒結制備了Sc2W3O12材料.其研究結果表明Sc2W3O12在10—1073 K范圍內表現出了很高的負膨脹性能.Slight認為在A2M3O12系列中，A位陽離子的大小決定了其負熱膨脹性能的大小，并預言Ho2W3O12將具有很大的負熱膨脹［9］，然而后繼的研究表明，Ho2W3O12不具負熱膨脹效應［10］.這說明負熱膨脹還和其他的因素有關.Nd2－xErxW3O［11］12，Er2－xCexW3O［12］12，Er2－xSmxW3O［13］12，Y2－xSmxW3O［14］12，Yb2－xCrxMo3O［15］12等的研究表明，成分摻雜可以控制材料的負熱膨脹效應.本文對Sc2W3O12的Sc的位置進行Ga摻雜，研究Ga的含量對其結構與負熱膨脹性能的關系，以期達到通過成分控制材料的熱膨脹行為的目的.

2. 實驗

2.1. 試驗方法

采用純度為3N的Sc2O3，Ga2O3，WO3為原料，按Sc2－xGaxW3O12(x=0，0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，0.8，2)設定不同的x值配比Sc2－xGaxW3O12所需的原料，每個試樣重2 g，在研缽中充分研磨混合均勻后壓片.經高溫(1100℃)固相反應72 h后爐冷至室溫，燒結后的樣品磨成粉末，再次壓片，并以上述條件重新燒結以達到完全反應.最后將樣品研磨成粉末，進行常溫及變溫XRD衍射測試.

2.2. 常溫及變溫XRD測試條件

XRD測試采用Bruker-axsD8Advance Superspeed 18 kW轉靶衍射儀進行.常溫XRD測試條件為:掃描范圍10°—120°，步長0.02°，每步0.5 s;變溫XRD測試采用Anton Paar HTK 1200 N測試樣品臺進行，測試條件為:掃描范圍:10°—80°，步長0.02°，每步0.1 s，升溫速度為0.5℃/s，測試室溫(25℃)后，從50℃開始每隔50℃測一個數據，直到1000℃.每個溫度點在測試前恒溫5 min以便達到平衡.

3. 實驗結果

3.1. 常溫X射線衍射分析

常溫XRD圖譜(圖1)中除x=0.8樣品含有少量的WO3衍射峰外，其余樣品均為Sc2W3O12型結構(空間群:Pnca)的單相物質.而當x=2時，樣品為完全沒有反應的Ga2O3及WO3的混合物，這說明端元組分Ga2W3O12化合物采用固相反應法不能合成，這與Sleight等［5］究結果相一致.利用TOPAS3.0軟件對衍射圖譜進行結構精修，結果表明Ga在Sc2－xGaxW3O12結構中代替Sc的位置，Sc2－xGaxW3O12晶胞參數與晶胞體積隨著Ga含量的增加近線性減小(表1，圖2)，這是因為Ga3+的離子半徑(0.62)小于Sc3+的離子半徑(0.73).

圖1 Sc2－xGaxW3O12(x=0—0.8)常溫X射線粉末衍射圖

圖2 Sc2－xGaxW3O12晶胞參數、晶胞體積與Ga含量關系(a) a，b，c;(b)V

表1 Sc2－xGaxW3O12系列樣品常溫下衍射數據Rietveld精修晶胞參數

3.2. 變溫X射線衍射分析

利用TOPAS軟件對變溫XRD數據進行Rietveld精修分析，晶胞參數精修結果如圖3所示，x=0.2樣品各溫度下精修結構參數如表2所示.

從圖3中可以看出，在室溫—1000℃的溫度范圍內，所有的樣品均表現為類Sc2W3O12的負膨脹特征:晶胞參數a，c隨著溫度的升高而收縮，而晶胞參數b則隨著溫度的升高而增大，但整體的晶胞體積均表現為負膨脹的性質.

表2 Sc1.8Ga0.2W3O12不同溫度下結構參數*

續表2

3.3. 負熱膨脹性能研究

圖4表示了樣品的體積相對膨脹率(Rv)與溫度的關系，從圖中可以看出，隨著Ga含量的增加，樣品的負膨脹逐漸減弱，向零膨脹靠近.當溫度在25—1000℃之間，隨著x從0增加到0.8，晶胞體積的相對膨脹率從－0.71%逐漸降低為－0.27%.而且在300℃以下，體積變化率相對較大，在300—800℃之間變化率比較穩定，在800℃以上，具有向正膨脹轉變的趨勢.

根據不同溫度下的晶胞參數結果，可以計算其在25—1000℃溫度范圍內的平均體膨脹系數及線膨脹系數，結果如表3所示.

從表中可以看出，a，c晶軸方向及體積、線平均膨脹系數均為負，絕對值均隨著Ga含量的增加而減小.而b晶軸方向平均膨脹系數為正，其值隨著Ga含量的增加而增加.當x=0時，平均線膨脹系數為－2.44×10－6/K，這與Sleight等［8］報道的結果相一致.

圖3 Sc2－xGaxW3O12系列樣品晶胞參數與溫度的關系圖(a)a;(b)b;(c)c;(d)V

表3 Sc2－xGaxW3O12各方向平均線膨脹系數、平均體膨脹系數αV及平均線膨脹系αL數表(10－6/K)

為了盡量避免晶胞參數數據的誤差對某溫度下膨脹系數的計算結果的影響，我們用4次多項式對晶胞體積隨溫度的變化關系曲線進行擬合，并對擬合結果進行微分并除以該溫度點下擬合出的晶胞體積，即可得到該溫度下體膨脹系數的值.結果如圖5所示.結果表明，對于未摻雜Sc2W3O12樣品，當溫度從室溫升高到300℃時，體積膨脹系數從－17×10－6K－1減小至－7×10－6K－1，在溫度為300—800℃之間，體積膨脹系數基本穩定為約－6.2×10－6K－1，在800—1000℃之間，體積膨脹系數絕對值隨著溫度的增加而減小并向零膨脹靠近或向正膨脹轉變.不同Ga摻雜量的樣品與未摻雜的樣品具有類似的特征，而且隨著Ga摻雜量的增加，體積膨脹系數的絕對值隨之減小，但在x= 0.1—0.3之間，體積膨脹系數變化不大，這與平均體積膨脹系數及各晶軸方向的平均線膨脹系數與成分的變化相一致.總體而言隨著Ga摻雜量的增加，其負膨脹性能逐漸減弱，但與成分的關系較為復雜，并非線性的改變.

前人研究表明，A2W3O12型化合物晶體結構中，A與周圍的O形成八面體配位，而W與O呈四面體配位，A-O八面體與W-O四面體以角頂相聯，其負膨脹是由于配位體之間的轉動所致［16］.x=0.2樣品在不同的溫度下，其多面體之間的聯結方式并沒有發生變化，但W-O-Sc(Ga)的鍵角隨溫度發生了有規律的變化(圖6).從圖中可以看出，W-O2，3，5-Sc (Ga)鍵角隨著溫度的升高而減小，而W-O6-Sc(Ga)鍵角隨著溫度的升高而升高，其他成分的樣品均有類似的特征.這說明Sc1.8Ga0.2W3O12晶體結構中Sc (Ga)-O八面體與W-O四面體之間隨著溫度的升高，發生了有規律的轉動，致使呈現負膨脹的特征.

圖4 Sc2－xGaxW3O12系列樣品晶胞體積相對膨脹率(Rv)與溫度的關系

圖5 Sc2－xGaxW3O12系列體積膨脹系數與溫度的關系

圖6 Sc1.8Ga0.2W3O12W-O-Sc(Ga)的鍵角隨溫度的變化關系

圖7 Sc1.8Ga0.2W3O12配位多面體中心陽離子間平均間距與溫度的關系

根據表2的數據，可以計算出Sc1.8Ga0.2W3O12配位多面體中心陽離子Sc(Ga)-W1，Sc(Ga)-W2及Sc(Ga)-W在不同溫度下的平均間距，結果如圖7所示.從圖中可以看出，中心陽離子的平均間距隨著溫度的升高而減小，這與其負膨脹的性能相一致.在800℃以上，中心陽離子間平均間距的減小具有變緩的趨勢，這正好與熱膨脹系數在這一溫度區間朝正膨脹轉化的趨勢相一致.

4. 結論

采用固相反應法成功制備Sc2－xGaxW3O12系列固溶體.通過固相反應，不能獲得Ga2W3O12端元化合物，意味著Ga只能部分代替Sc進入晶格中形成置換固溶體.隨著Ga摻雜量的增加，Sc2－xGaxW3O12的晶胞參數a，c及晶胞體積隨之下降，而晶胞參數b隨之增加.所有樣品均具有負膨脹性能，平均體積膨脹系數絕對值隨著Ga含量的增加而減小，逐漸向零膨脹靠近.在室溫—300℃之間，隨著溫度的增加，體積膨脹系數絕對值急劇減小，而在300—800℃之間基本保持穩定，當溫度大于800℃時，體積膨脹系數絕對值繼續減小，向零膨脹靠近，并具有向正膨脹轉化的趨勢.

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PACC:6110M，6570

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grand No.50871070)and Fundamental Research Project of Shenzhen (Grand Nos.JC200903120081A，CXB200903090012A).

?E-mail:fsliu@szu.edu.cn

Negative thermal expansion of Sc2－xGaxW3O12solid solution*

Liu Fu-Sheng?Chen Xian-Peng Xie Hua-Xing Ao Wei-Qin Li Jun-Qin
(College of Materials Science and Engineering，Shenzhen University and Shenzhen Key Laboratory of Special Functional Materials，Shenzhen518060，China)
(Received 16 July 2009;revised manuscript received 9 September 2009)

Series of Ga-doped Sc2－xGaxW3O12samples(x=0，0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，0.8)were synthesized by solid state reaction at 1100℃.Rietveld refinement of the X-ray powder diffraction patterns show that Ga substituted Sc in Sc2－xGaxW3O12structure successfully.The client component Ga2W3O12cannot be obtained in this work.The lattice parameters obtained by Rietveld refinement showed that all samples have negative thermal expansion between 25—1000℃.Lattice parameters a，c and cell volume of the Sc2－xGaxW3O12decrease with the increases of Gallium content，but accompanied with the expansion of lattice parameter b.The average volume expansion coefficient also decreases with the increase of the Gallium content.As the temperature increases，the absolute value of the volume expansion coefficients decrease dramatically between room temperature and 300℃，but remain almost unchanged between 300 and 800℃，and decrease further at the temperature higher than 800℃，tending to zero and turning into positive expansion.

negative thermal expansion，volume expansion coefficient，Rietveld refinement

book=205,ebook=205

*國家自然科學基金(批準號:50871070)和深圳市基礎研究計劃項目(批準號:JC200903120081A，CXB200903090012A)資助的課題.

?E-mail:fsliu@szu.edu.cn