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Al与ZrScMo2VO12复合材料的热膨胀性能研究

2018-01-02付林杰麻华丽

信息记录材料 2018年2期
关键词:无水乙醇研磨摄氏度

付林杰,麻华丽

(郑州航空工业管理学院 河南 郑州 450046)

Al与ZrScMo2VO12复合材料的热膨胀性能研究

付林杰,麻华丽

(郑州航空工业管理学院 河南 郑州 450046)

自然界的材料大部分都具有热胀冷缩性质,无法满足科技发展的对材料性能的要求。而负热膨胀材料的热缩冷胀性质可以与正膨胀材料复合,得到零膨胀或者可控膨胀材料。研究发现,ZrScMo2VO12复合材料在非常大的温度范围内(150-823 K)具有优异的负热膨胀性质。金属铝的导电性和延展性非常好,但是热膨胀系数比较大,性能、寿命受限。文章将金属Al与ZrScMo2VO12材料复合,并对其热膨胀性能进行了分析。结果表明:金属Al与ZrScMo2VO12复合后,明显降低了Al的热膨胀系数。

Al;ZrScMo2VO12;复合材料;负热膨胀

1 引言

大部分材料都有热胀冷缩的性质,这在生活中会给我们带来许多问题。不同的材料的热膨胀系数不同,即使是同一种材料,其表面和内部的热膨胀系数也往往具有一定的差异,这就会导致热应力[1-5]。而热应力会导致材料或器件性能变差,给人们的日常生活和工业生产带来诸多不便。然而,在自然界中很难找到热膨胀系数为零或接近零的材料,将负热膨胀材料和正热膨胀复合可以制备出近零膨胀材料,从而减少材料的热应力,提高材料的性能[1-4]。

2 ZrScMo2VO12的制备

本实验采用的实验方法是固相反应法,实验所用的原料是:三氧化钼(MoO3)纯度99.5%分子量143.95;五氧化二钒(V2O5)纯度99.6%分子量181.88;二氧化锆(ZrO2)纯度不少于99%分子量123.22;氧化钪(Sc2O3)纯度99.9%分子量137.91。

实验步骤如下:

(1)取出所需药品,按药品的物质的量之比ZrO2∶Sc2O3∶MoO3:V2O5=2∶1∶4∶1的比例配置药品,称量。(2)将称量好的药品放入研钵中,研磨搅拌1小时左右,再加入无水乙醇研磨,直至将无水乙醇全部挥发,将药品磨成干粉状。再把药品放入干燥箱中干燥1小时。干燥温度为60摄氏度。(3)将药品磨好后,将药品压片。用直径为1cm的模具和型号为769YP-15A干粉压片机将药品压成厚度约为3.5mm的片状素胚,压力为30MPa。(4)将压好的素胚放入坩埚中,放入型号为XD-1200N的马弗炉中加热,时间设置为2.5小时升到800摄氏度,保温5小时,然后冷却至室温,将目标样品取出。(5)将目标样品放入研钵中,充分研磨,磨成干粉状,再次压片(注:不用加无水乙醇),然后再放入炉中按第4步中的加热方法加热,冷却至室温,得到最终的目的样品。

3 Al与ZrScMo2VO12材料的复合

(1)将已经做成的ZrScMo2VO12材料研磨成干粉状,然后称其质量,将Al与ZrScMo2VO12按物质的量之比Al∶ZrScMo2VO12=1∶1的比例混合研磨1小时左右(注:实验所用的Al粉相对分子质量为26.98,纯度为不少于99%),再加入无水乙醇研磨(无水乙醇的量刚好淹没药品),研磨1~2小时,至药品为干粉状。(2)还用上述试验的模具与压片机压片,步骤相同,样品体积相同。操作规范相同。(3)待素胚完成后,开始烧结,温度设置为2小时升至600摄氏度,保温5小时,冷却至室温,再研磨,二次烧结,得到目的样品。

4 实验结果与讨论

4.1 样品的宏观形貌

本实验采用的样品制备方法是固相反应法,做出来的样品为直径1cm高度为3.5mm的圆柱状,ZrScMo2VO12颜色为黄色,Al与ZrScMo2VO12复合的样品呈青黄色。样品质地均匀,无裂纹。

4.2 X射线衍射分析

图1是用固相法在800oC下制备的ZrScMo2VO12样品的XRD图谱,其中测试角度为10~80度,说明所做的样品材料较纯,是ZrScMo2VO12[5-6]。图2是Al与ZrScMo2VO12物质的量之比1∶1温度600oC烧结5h制备的复合材料的XRD图谱。

图1 ZrScMo2VO12的XRD图谱(800oC烧结5h)

图2 Al与ZrScMo2VO12物质的量之比1∶1温度600oC烧结5h制备的复合材料的XRD图谱

4.3 样品的微观形貌

样品制备出来,我们往往要观察一下它们的微观形貌,从而更好地分析样品的一些性质,我们用的是扫描电镜(SEM)来观察样品的微观形貌。其中,图3为600摄氏度下烧结的ZrScMo2VO12的电镜照片,图4为800摄氏度下烧结的ZrScMo2VO12的电镜照片,图5为Al与ZrScMo2VO12复合材料在600摄氏度的扫面电镜图片。从SEM图中可以观察到,样品的表面分布均匀,空隙少,结晶好。

图3 600oC下烧结制备的ZrScMo2VO12的SEM图

图4 800oC下烧结制备的ZrScMo2VO12的SEM图

图5 600oC下烧结Al与ZrScMo2VO12复合材料

4.4 ZrScMo2VO12材料的热膨胀分析

使用高温热膨胀仪对800℃制备的ZrScMo2VO12样品进行了相对长度随温度变化的关系的测试,来表征热膨胀性质,首先测出样品原始长度L,然后调零仪器并开始测试,本实验的测试温度是从0℃~400℃,结果如图6所示。通过公式计算出样品的线线膨胀系数aL=(1/Lo)·(dL/dT)=-3.188×10-6℃-1。

从图中可以看出,图像在0℃~400℃内近似呈一条斜线,样品的相对长度随温度的升高而降低,表现负热膨胀性质。从图中可以看到,ZrScMo2VO12材料在0℃~400℃表现出来的负热膨胀性能较为均匀。

图6 ZrScMo2VO12(800℃ 5h)材料的热膨胀曲线

4.5 Al与ZrScMo2VO12复合材料的热膨胀性质的研究

使用高温热膨胀仪对600℃下制备的Al与ZrScMo2VO12复合材料进行相对长度随温度变化的关系的测试,Al与ZrScMo2VO12复合材料的测试的温度范围为0℃~400℃,线膨胀系数为aL=-1.597×10-6℃-1

从图7中可以看出Al与ZrScMo2VO12复合材料在150℃~400℃表现出明显的负热膨胀性质。Al的热膨胀系数约为23×10-6℃-1,而与ZrScMo2VO12材料按比例1∶1复合后,热膨胀系数变为-1.597×10-6℃-1,可见Al的热膨胀系数降低了许多,且中间过渡到了负值,所以一定有一个比例可以使Al与复合材料的热膨胀系数为0,下一步,我们继续尝试不同比例的复合,探索低膨胀或零膨胀的Al的复合材料。

图7 Al与ZrScMo2VO12复合材料(600℃ 5h)的热膨胀曲线

负热膨胀材料和正膨胀材料复合,可以得出性能零膨胀或近零膨胀材料,克服热应力,使各方面性能更加优异,这在工业生产、精密仪器仪表、航天航空领域有很大的研究潜力。

[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,陈庆东,梁二军.新型负热膨胀材料的研究[J].材料导报,纳米与新材料专辑,2010,(001):325-329.

[4]负热膨胀材料Er_(0.7)Sr_(0.3)NiO_(3-δ)的制备及性能研究.付林杰-《郑州大学硕士论文》-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 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624(2018)02-0011-03

付林杰(1987-),女,汉,河南商丘人,河南郑州航空工业管理学院,助理实验师,硕士研究生,研究方向:负热膨胀材料。

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