燃烧法合成高纯度负热膨胀材料ZrW2O8粉体.pdf





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1、第 3 4卷第 9期 2 0 0 6年 9月 硅酸盐学报 J oURNAL OF THE CHl NE S E CERAM I C S oCl ET Y VO 1 3 4,NO 9 S e p t e mb e r,2 0 0 6 燃烧法合成高纯度负热膨胀材料 Z r W2 O 8 粉体 严学华,杨新波,程晓农,付廷波,邱 杰,刘红飞 (汀苏大学材料科学与 I 程学院,江苏 镇江2 1 2 0 1 3)摘 要:采用燃烧法在较低温度下成功合成了各向同性 的负热膨胀材料 Z r W O 粉体。用 X射线衍射、扫描 电镜、红外光谱综合分析和研究了反应过 程中炉温、硼酸和尿素含量、W。与 z 一 的摩
2、尔比对合成 Z r W2 O8 纯度的影响。结果表明:燃烧法可以合成高纯度、粒径为 0 5 m 的 Z r W2 O 8 粉体。燃 烧法合成商纯 Z r W2 08 的最佳条4 t 是:炉温为 5 0 0 C,硼酸的摩尔分数为 1 O,(NH:)!C O 与(NH 4)5 Hs H 2(wo 4)6】-H2 0+Z r O C 1 2 8 H2 O的质量比为 2:1,(N H 4)5 Hs H 2(WO 4)6】-H2 O 与Z r OC 1 2-8 H:!O的摩尔比为 1:3 2。所合成的Z r W O8 在 5 0 7 0 0CZf H J 的线膨胀系数 d=-5 0 8 x 1 0 一
3、b ,其线膨胀系数 与温 度的关系符合方程 d L L 一 1 4 x 1 0 2 _ 4 5 x 1 0-4 T(5 0 CT 7 0 0 C)。关键词:钨酸锆:负热膨胀材料;燃烧合成;热膨胀系数 中图分类号:T Q 1 7 4 文献标识码:A 文章编号:0 4 5 4 5 6 4 8(2 0 0 6)0 9 1 0 6 6-0 4 HI GH PURE NEGATI VE THERM AL EXPANS I oN M ATERI AL Zr W 2 Os PoW DERS SYNTH ESI ZED BY CoM BUSTI oN M ETH oD Y A NX u e h u a,Y A
4、 N GXi n b o C H E NGXi a o n o n g,F UT i n g b o Q I UJ i e,L 1 UH o n g f e i (S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,J i a n g s u Un i v e r s i ty,Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3,J i ang s u,C h i n a)Ab s t r a c t:I s o t r o p i c Zr W 2 0R p o wd e r s ma
5、t e r i a 1 wi t h n e g a t i v e t h e r ma 1 e x p a n s i o n we r e s u c c e s s f ul l y s y n t h e s i z e d v m a c o mb u s t i o n me t h o d a t 1 O W t e mp e r a t u r e T h e e f r e c t s o f t h e f u r n a c e t e mp e r a t u r e,t h e H B O a n d(N H,)C O C O n t e n t,and t h e
6、 mo l a r r a t i o o f W。a n d Z r 斗 o n t h e p u r i t y o f t h e s y n t h e s i z e d Z r W2 08 p o wd e r s we r e i n v e s t i g a t e d b v X_ r a y d i ff r a c t i o n、s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y a n d i n f r are d s p e c t r u m T h e r e s u l t s s h o w t h a
7、t h i g h p u r i ty Zr W,0R p o wd e r s wi t h a me a n p a r t i c l e s i z e o f 0 5 u m,c a r l b e o b t a i n e d b y t h e me t h o d u n d e r t h e f o 1 1 o wi n g c o n d i t i o n s:a f u r n a c e t e mp e r a t u r e o f 5 0 0 ;a H BO mo l a r f r a c t i o n o f 1 0:a 2:1 ma s s r a
8、ti o o f(NH,)C0 an d (N H 4)5 H 5 H2(W0 4)6 H 2 0 a d d e d t o Z r OC 1 2 8 H 2 0;a n d a 1:3 2 m o l a r r at i o o f(N H 4)5 H5 H2(WO4)6】H2 O a n d Z r O C 1 2 8 H 2 0 T h e l i n e a r t h e r ma 1 e x p a n s i o n c o e 币c i e n t o f p rep are d Zr W,0R ma t e r i a l i S-5 0 8 x 1 0 。C i n t
9、he t e mp e r a t u r e r a n g e f r o m 5 0 C t o 7 0 0 Th e e q u ati o n f o r t h e r e l atio n s h i po f t h e r ma 1 e x p an s i o nt ot h et e mp e r a t u re o f t h ema t e r i a l j S n 一 1 4 1 0 一 _ 4 5 1 0 一 Ke y wo r d s:z i r c o n i u m t u n g s t a t e;n e g ati v e t h e r ma l
10、 e x p an s i o n ma t e r i a l;c o mb u s t i o n s yn t h e s i s;t h e rm a l e x p an s i o n c o e ffic i e n t 各向同性的负热膨胀材料 Z r W2 O8,在_ 2 7 3 到 7 7 7 o C的整个 范围内都表现 出强烈 的负热膨胀 特性 j。将其和具有正的热膨胀系数的材料进行复 合,从而可以根据设计要求来达到控制材料的热膨 胀系数的 目的,即随着调节不同相 的体积分数可以 制备 出相应的具有或者正的,或者负的,甚至零膨 胀 系数的复合材料。这些可控热膨胀系数的复合材
11、 料 可用于高精度的光学系统、光纤系统、电学器件,收稿 日期:2 0 0 6 4)1 1 0。修改稿收到日期:2 0 0 6-0 4-2 8。基金项目:国家 自 然基(5 0 3 7 2 0 2 7,5 0 4 4 2 0 2 3)助项 日:江苏省研究牛 创新基金资助项同。第一作者:严学华(1 9 7 6),通讯作者:程晓农(1 9 5 8)副教授。教授,博士研究生 导师。以及作为热封装材料而用于 B r a g g光栅。由于该材 料 的这些潜在 的应用价值,激起 了科研人员对其合 成方法与负热膨胀机理研 究的兴趣。到 日前为止,合成 Z r W O 的方法主要以固相法、共沉淀法、溶 胶一 凝
12、胶法为主。燃烧法(c o mb u s t i o n s y n t h e s i s)是 近年来提 的一种新型材料制备技术,基于氧化一 还原反应原理,可以有效地降低合成温度。为此,实验 以Z r OC I 2 8 H2 0和(NH4)5 H5 H2(WO 4)6 H2 0为 Re c e i v e d d a t e:2 0 0 6 0 1 1 0 Ap p r o v e d d a t e:2 0 0 6 O 4 2 8 F i r s t a u t h o r:YAN Xu e h u a(1 9 7 6 一),ma l e,a s s i s ta n t p r o f e
13、 s s o r E-ma i l:x h y a n u j s e d u c n c 0 r r e s p 0 n d e n t a u t h o r:C H E N G Xi a o n o n g(1 9 5 8-),m a l e,p r o f e s s o r E-ma i l:x n c h e n g u j s e d u c n 维普资讯 http:/ 严学 等:燃烧法合成-纯艘负热 膨胀f 1 Z r W O 原料 训睃 为助熔 剂 禁 成 了 高纯度_IfJ Z r W!O 粉伴 1 实 验 为燃 料,采H 1 燃烧法 合 2 2 产物 的粒径及红外 光谱
14、分析 选 川【俦 分 析 纯(N I l 4)5 H 5 (wo 4 J 6 l H O,Z r O CI 2 8 H:O,(Hj BO1),(Nt l!)CO幂1 3 mo l L H NO 为原 ,称取痒尔比为 1:3 2 的 (NH 4)H5 H!(wo 4)6 1t o 利 Zr OCI 2 8 H2 O 放入陶瓷 坩埚 t1 1,J f l入少 H NO 搅拌他其 充分溶解。再 加 入摩 尔 分 数 为l 0 的 圳酸 车 u 尿 素 尿 素 与(N I I 4)5 1 t 5【H 2(wo )6】H:O+Z r O C 1 2-8 H O 的 质 景 比 为 2:I ,搅拌使齐 制
15、泄合均匀,商接置入预先 热剖 5 0 0的炉中,随着水分 的 断蒸发,溶液逐 渐川 腾至产,j 燃烧,燃烧过程 人约维持 1 5 S :产物 为疏松 彩孔的 白夹 杂少 零绿色粉求,整个 反应过程大约在 1 1 rai n芹4 T 将得到的产物 f Ij)J I1 0 f 磨,1 2 0 0保温 l h,取 j 1 在蒸馏水中淬冷,得 高纯的 Z r W2 O s 粉体 此 外,为 r进 步 研究 备 参 景变 化 对 合成 Z r W:O 8 粉体纯度的影响还以 述制备工艺为基 础 仪改 变其I l I 甲 参,其他条什保持不变n 情 况 r 合成 Z r W2 O 8 粉体 以研究 参 变
16、化对合成 Z r W2 O 粉 体的影响,用R ig a k u D m a x 2 5 0 0 X射线衍射【x y d i l;fr a c t i o n,X R D)仪分析产物的物村 l,辐射源为Ql K t 2=0 1 5 4 ri m)以7。C m i n 速度连续 I 描。N i c o l e t N E X U S 6 7 0 红 外)谱仪对产物进 行g E 9 1-;分 析。用 J E O L-J X A 一 8 4 0 A型 描电 显微镜(s c a n n i n g e l e c t r o n mic r o s c o p e S E M)察 样 I 的 J 豹
17、用 NE F ZS CH D I I 4 0 2 E P热膨胀仪测量产:物的线膨胀系 数,所测样,为直径为5 n lm的 牲体,&度为2 5 3 O n 1 m,用 S i O f 1:为参考材料午 推动杆,删f a 温度 范崮为 5 O 7 0 0,J 1 温速度为 1 0C mi n 2 结果和讨论 2 1 XR D分析 圈 I 为燃烧 合成的粉 体的 X R D i惰。由降 l 1可 :未经 1 2 0 0处NI 样l!i lll,其产物为 Z r W!O H 和 WO 的混合物(圈 I i 乎 线 I)。这足 j 于反 应 的时 较短,燃烧过 巾未J:生反应所需 的足 够能,丽导致反应
18、 完全:1 2 0 0保黼 1 h 后,所 龠何的 WO 1 1 消失,产物是岛纯 的 方 Z r W:O 相,望灰门包(见网 1 I J 谱线 2):冈此采川 燃烧法可 以合成 高P,I J fl 9 方 Z r W!O:I矧 2 为5 0 0燃烧 合成Il J Z r W O 粉 体,经1 2 0 0 保湍 l h (J S E M J 从IN2 I I I-J 以看:粉体 粒径在0 5 L 庀 1剽 3 是l 2 0 0保 1 h 后产物的 红外透过 谱。与WO 3 Z r O 的红外光 潜图 群f 比,燃烧 合成晌z r w!o 8 t I I l-没4 j+wo 卡 z r o 的潜
19、峰,物 q I 不仃 这阿 l 氧化物 用燃 烧法合成的Z r W2 0#外谱 0 E v a n s 等 R 道【_l J _小 扎 同 I-N 3-i 9 9 8 0 6,9 0 9 2 5,8 7 3 2 8 c m 瞒峰 为 WO 4 1 Ifl I 体 的对称 收缩 振动;谱峰 8 0 2 9 9 7 6 1 7 6,7 3 6 3 3 d ill 为 WO 4 四而体的1 对称收缩振动 2 0 3 0 4 0 5 0 2 0 )1燃烧法 合成J n 物 I)g X RD f ig I r a y d i ff r a c t io n(X R D l p a t t e r n s
20、 o f p r o d u c ts s y n t h e s i z e d b y c o mb u s t i on me t h o d I W i t h ou t h e al i ng;!l l e al at I 2 00C fi)r】h 2 燃烧#JII!J Z r W:O 粉伴Iq S E M 片 Fi g 2 S c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e(SE M)p h o t o g r a ph o l Zr W2()s s y n t h e s i z e d b y c o mbu s t i o n
21、 me t h o d Re a c t i o n t e mp e r a t u r e_ I I 5 0 0(1,e a t a l l 2 0 0I b r 1 h 2 3 热膨胀性 能测试 产物n 5 0 7 0 0范 的线膨 帐系数曲线如图 4所。所合成 Z r W2 0 具有负热膨胀,拒 1 6 0 附近 j 热膨胀 系数刖转折血,避由:在该温度处发 维普资讯 http:/ 1 0 6 8 硅酸盐学报 2 0 0 6 年 生 lZ r w2 o 8(有序相,空问群 Jp 2 1 3)Nfl-Z r W2 08(无 序相,空间群 P a 3 1 相变,但是相变对其热膨胀系 数并没
22、有太大影响。经计算,在 5 0 7 0 0 o C之问,Z r W2 08 的线膨胀系数=一 5 0 8 x 1 0 。燃烧法合成 的Z r W2 O8 的负热膨胀系数比报道 的=一 8 7 x 1 0 4 L 2 J 略大,这是检测条件不一致的结果。由于其线 膨胀系数曲线为一条斜率为负的直线,用最小二乘 法对其进行数值逼近推算,可得其线膨胀系数与温 度的关系方程 L 0=一 1 4 x l 0 4 5 x 1 0-4 7 (5 0 T 7 0 0)。其中:为加热前后样品长度变化值,。为样品长度的原始值。图3 燃烧法合成的Z r W2 O 8 红外光谱 F i g 3 I n f r a r
23、e d s p e c t r u m o f Z r W2 Q s y n t h e s i z e d b y c o mb u s t i o n me t h o d 图 4 燃烧法合成的Z r W2 O8 的热膨胀曲线 F i g 4 Li n e a r t h e r ma l e x p a n s i o n c u r v e o f Zr W2 08 s y n t h e s i z e d b y c o mb u s t i o n me t h o d 2 4 炉温对合成Z r W2 O8 粉体的影响 对(NH 4)5 H5 H 2(WO 4)6 H2 O和 Z
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