Al與ZrScMo2VO12復合材料的熱膨脹性能研究

付林杰，麻華麗

（鄭州航空工業管理學院 河南 鄭州 450046）

Al與ZrScMo2VO12復合材料的熱膨脹性能研究

付林杰，麻華麗

（鄭州航空工業管理學院 河南 鄭州 450046）

自然界的材料大部分都具有熱脹冷縮性質，無法滿足科技發展的對材料性能的要求。而負熱膨脹材料的熱縮冷脹性質可以與正膨脹材料復合，得到零膨脹或者可控膨脹材料。研究發現，ZrScMo2VO12復合材料在非常大的溫度范圍內（150-823 K）具有優異的負熱膨脹性質。金屬鋁的導電性和延展性非常好，但是熱膨脹系數比較大，性能、壽命受限。文章將金屬Al與ZrScMo2VO12材料復合，并對其熱膨脹性能進行了分析。結果表明：金屬Al與ZrScMo2VO12復合后，明顯降低了Al的熱膨脹系數。

Al；ZrScMo2VO12；復合材料；負熱膨脹

1 引言

大部分材料都有熱脹冷縮的性質，這在生活中會給我們帶來許多問題。不同的材料的熱膨脹系數不同，即使是同一種材料，其表面和內部的熱膨脹系數也往往具有一定的差異，這就會導致熱應力[1-5]。而熱應力會導致材料或器件性能變差，給人們的日常生活和工業生產帶來諸多不便。然而，在自然界中很難找到熱膨脹系數為零或接近零的材料，將負熱膨脹材料和正熱膨脹復合可以制備出近零膨脹材料，從而減少材料的熱應力，提高材料的性能[1-4]。

2 ZrScMo2VO12的制備

本實驗采用的實驗方法是固相反應法，實驗所用的原料是：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。

實驗步驟如下：

（1）取出所需藥品，按藥品的物質的量之比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小時左右，再加入無水乙醇研磨，直至將無水乙醇全部揮發，將藥品磨成干粉狀。再把藥品放入干燥箱中干燥1小時。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的模具和型號為769YP-15A干粉壓片機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，放入型號為XD-1200N的馬弗爐中加熱，時間設置為2.5小時升到800攝氏度，保溫5小時，然后冷卻至室溫，將目標樣品取出。（5）將目標樣品放入研缽中，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材料的復合

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

4 實驗結果與討論

4.1 樣品的宏觀形貌

本實驗采用的樣品制備方法是固相反應法，做出來的樣品為直徑1cm高度為3.5mm的圓柱狀，ZrScMo2VO12顏色為黃色，Al與ZrScMo2VO12復合的樣品呈青黃色。樣品質地均勻，無裂紋。

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，其中測試角度為10～80度，說明所做的樣品材料較純，是ZrScMo2VO12[5-6]。圖2是Al與ZrScMo2VO12物質的量之比1∶1溫度600oC燒結5h制備的復合材料的XRD圖譜。

圖1 ZrScMo2VO12的XRD圖譜(800oC燒結5h)

圖2 Al與ZrScMo2VO12物質的量之比1∶1溫度600oC燒結5h制備的復合材料的XRD圖譜

4.3 樣品的微觀形貌

樣品制備出來，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，我們用的是掃描電鏡（SEM）來觀察樣品的微觀形貌。其中，圖3為600攝氏度下燒結的ZrScMo2VO12的電鏡照片，圖4為800攝氏度下燒結的ZrScMo2VO12的電鏡照片，圖5為Al與ZrScMo2VO12復合材料在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，結晶好。

圖3 600oC下燒結制備的ZrScMo2VO12的SEM圖

圖4 800oC下燒結制備的ZrScMo2VO12的SEM圖

圖5 600oC下燒結Al與ZrScMo2VO12復合材料

4.4 ZrScMo2VO12材料的熱膨脹分析

使用高溫熱膨脹儀對800℃制備的ZrScMo2VO12樣品進行了相對長度隨溫度變化的關系的測試，來表征熱膨脹性質，首先測出樣品原始長度L，然后調零儀器并開始測試，本實驗的測試溫度是從0℃～400℃，結果如圖6所示。通過公式計算出樣品的線線膨脹系數aL=(1/Lo)·(dL/dT)=-3.188×10-6℃-1。

從圖中可以看出，圖像在0℃～400℃內近似呈一條斜線，樣品的相對長度隨溫度的升高而降低，表現負熱膨脹性質。從圖中可以看到，ZrScMo2VO12材料在0℃～400℃表現出來的負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復合材料的熱膨脹性質的研究

使用高溫熱膨脹儀對600℃下制備的Al與ZrScMo2VO12復合材料進行相對長度隨溫度變化的關系的測試，Al與ZrScMo2VO12復合材料的測試的溫度范圍為0℃～400℃，線膨脹系數為aL=-1.597×10-6℃-1

從圖7中可以看出Al與ZrScMo2VO12復合材料在150℃～400℃表現出明顯的負熱膨脹性質。Al的熱膨脹系數約為23×10-6℃-1，而與ZrScMo2VO12材料按比例1∶1復合后，熱膨脹系數變為-1.597×10-6℃-1，可見Al的熱膨脹系數降低了許多，且中間過渡到了負值，所以一定有一個比例可以使Al與復合材料的熱膨脹系數為0，下一步，我們繼續嘗試不同比例的復合，探索低膨脹或零膨脹的Al的復合材料。

圖7 Al與ZrScMo2VO12復合材料（600℃ 5h）的熱膨脹曲線

負熱膨脹材料和正膨脹材料復合，可以得出性能零膨脹或近零膨脹材料，克服熱應力，使各方面性能更加優異，這在工業生產、精密儀器儀表、航天航空領域有很大的研究潛力。

[1] Liang E J,Negative Thermal Expansion Materials and Their Applications：A Survey of Recent Patents[J].Rec Pat Mater Sci,2010,3:106-128.

[2] Sun X J，Cheng X N，Yang J，et al.Effect of acids on the morphology and negative thermal expansion analysis of ZrW2O8 powders prepared by the hydrothermal method[J].Ceramics International，2013，39：165-170.

[3]王俊平，陳慶東，梁二軍.新型負熱膨脹材料的研究[J].材料導報,納米與新材料專輯，2010，(001)：325-329.

[4]負熱膨脹材料Er_(0.7)Sr_(0.3)NiO_(3-δ)的制備及性能研究.付林杰-《鄭州大學碩士論文》-2014.

[5] Isobe T,Houtsuki N,Hayakawa Y,et al.Preparation and properties of Zr2MoP2O12,ceramics with negative thermal expansion.[J].Materials & Design,2016,112:11-16.

[6] Ge X,Mao Y,Liu X,et al.Negative thermal expansion and broad band photoluminescence in a novel material of ZrScMo2VO12[J].Scientific Reports,2016,6:24832.

TB34 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0011-03

付林杰（1987-），女，漢，河南商丘人，河南鄭州航空工業管理學院，助理實驗師，碩士研究生，研究方向：負熱膨脹材料。