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）

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。