固溶體Fe2-xYbxMo3O12的相變、吸水性及熱膨脹性能.pdf

1、自然界中大部分的材料具有的一般熱學(xué)性質(zhì)是“熱脹冷縮”，但材料的這一熱膨脹性質(zhì)導(dǎo)致的熱應(yīng)力是精密器件性能下降或失效的最主要原因。利用與受熱收縮的負(fù)熱膨脹材料的復(fù)合可以獲得近零膨脹材料或可控?zé)崤蛎洸牧?，提高材料的抗熱沖擊性，實現(xiàn)隨溫度變化器件的性能變化很小或不變的目標(biāo)，更進(jìn)一步延長器件的使用壽命成為了當(dāng)代亟需要解決的重要問題。
　　 負(fù)熱膨脹材料目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾類，其中A2M3O12系列材料是很重要的一個分支。具有這一結(jié)構(gòu)的材料有鎢酸

2、鹽和鉬酸鹽兩大類，其中A是代表金屬陽離子，M是代表W或者是Mo。在A2M3O12系列材料中，由于A的離子半徑大小不同室溫時材料可能以單斜或正交相的晶體結(jié)構(gòu)存在。研究表明只有具有正交相晶體結(jié)構(gòu)的材料才能表現(xiàn)出明顯的負(fù)熱膨脹的性質(zhì)。A離子半徑的大小影響了負(fù)熱膨脹系數(shù)的大小，A離子半徑小，則負(fù)熱膨脹的系數(shù)就比較小，若A的離子半徑較大，則該材料的負(fù)熱膨脹系數(shù)也相應(yīng)的增大，并且涵蓋的溫度范圍也會相應(yīng)的更寬一些。但同時存在一個問題，A離子半徑增大導(dǎo)

3、致開放式晶體結(jié)構(gòu)的空隙相應(yīng)增大，水分子比較容易進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)，致使了材料的負(fù)熱膨脹性質(zhì)的消失。為了使這類材料的相變溫度能涵蓋室溫，并且盡量降低材料的吸水性，使材料更大范圍內(nèi)得到應(yīng)用，有較多的人員開展了研究。
　　 通?？梢圆扇诫s的方法來解決這一類的問題，用大半徑的陽離子部分替代較小半徑的陽離子來達(dá)到降低相變溫度點的目的，用小半徑的陽離子來替代大半徑的陽離子以達(dá)到減小吸水性的目的。本課題組曾經(jīng)利用小半徑的Fe3+(64.5pm)和

4、Al3+(53.5pm)分別替代Y2Mo3O12中的Y3+離子和Yb2Mo3O12中的Yb3+離子，成功的降低了Fe2Mo3O12和Al2Mo3O12單斜向正交相轉(zhuǎn)變的相變點，同時也降低了Y2Mo3O12和Yb2Mo3O12的吸水性。在以上基礎(chǔ)上，本論文用比Al3+半徑更大的Fe3+替代比Y3+半徑還小的Yb3+離子，從降低相變點和減小吸水性得到了更令人滿意結(jié)果。
　　 本論文的實驗第一部分內(nèi)容就是制備Fe2-xYbxMo3O1

5、2(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8和2)系列材料，并通過X射線衍射圖譜、Raman光譜、熱分析以及熱膨脹系數(shù)的測量對材料的結(jié)構(gòu)、相變、吸水性及熱膨脹性能進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，室溫下當(dāng)x≤0.4時，F(xiàn)e2-xYbxMo3O12是單斜相的晶體結(jié)構(gòu)，而當(dāng)x≥0.6時其固溶體則是正交相的晶體結(jié)構(gòu)。該系列材料的單斜相向正交相的轉(zhuǎn)變溫度點隨著Yb3+含量的增加而下降，當(dāng)x=0.6時，即Fe1.4Yb0

6、.6Mo3O12在室溫范圍內(nèi)已經(jīng)可以實現(xiàn)了單斜相向正交相的完全轉(zhuǎn)變，并且能保持正交結(jié)構(gòu)到很低的溫度點。Fe2-xYbxMo3O12系列材料中的水分子有兩種。其中一種水分子在較低溫度時就能夠釋放出去，這一種水分子并沒有進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。另外的一種水分子則只能在比較高的溫度時才能夠釋放出去，這類水分子在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，能夠?qū)w的分子振動產(chǎn)生很大的影響，材料負(fù)膨脹效應(yīng)的分子振動被限制，整體上表現(xiàn)出正膨脹的熱學(xué)性質(zhì)。通過對熱重的分析可以計算出F

7、e2-xYbxMo3O12在x=0.2時含有2.3個水分子，F(xiàn)e1.8Yb0.2Mo3O12的相變溫度點比之前制備的Fe1.8Y0.2Mo3O12的相變溫度點低了30K左右，并且明顯的降低了材料的吸水性。Fe2-xYbxMo3O12系列材料與之前制備的Fe2-xYxMo3O12系列材料以及Yb2-xAlxMo3O12系列材料比較顯示相變點的降低和吸水性的減少都有明顯的改善。
　　 本論文的第二部分實驗內(nèi)容是對Fe2Mo3O12材