反钙钛矿锰氮化合物Mn3Zn0.5Sn0.5N负热膨胀材料及其复合材料性能研究

摘要

反钙钛矿锰氮化合物是一种具有优良热学、电学、磁学及力学等性能的负热膨胀材料，其负热膨胀系数很大，可作为新型的高效热膨胀补偿器制备近零膨胀材料。随着科学技术的发展，诸多领域对材料及器件精度的要求越来越高，因此反钙钛矿锰氮化合物及其复合材料在微电子、光学仪器及航空航天等高精密领域具有巨大的应用价值。
　　本论文通过固相反应合成了负热膨胀材料Mn3Zn0.5Sn0.5N。将Mn3Zn0.5Sn0.5N作为热膨胀补偿器，采用固相烧结分别制备了Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al和Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料。采用XRD分析样品结构，热机械分析仪测试样品的热膨胀性能，测试Mn3Zn0.5Sn0.5N及复合材料样品的电导率和维氏硬度，分析烧结温度和Mn3Zn0.5Sn0.5N含量对复合材料性能的影响，对反钙钛矿锰氮化合物近零膨胀复合材料进行了初步探索。
　　Mn3Zn0.5Sn0.5N样品具有典型的反钙钛矿结构，由于Sn掺杂，样品的衍射峰向高角度偏移。Mn3Zn0.5Sn0.5N样品在301.3-363.2 K(ΔT=62 K)温区内呈现出负热膨胀，将实验数据线性拟合得到负热膨胀系数为-19.16×10-6 K-1。在300-350 K温区内，Mn3Zn0.5Sn0.5N样品磁化率发生突变，表现为典型的反铁磁-顺磁转变。随温度升高，样品磁矩重排，磁结构改变，晶格参数减小，宏观上表现出负热膨胀。Mn3Zn0.5Sn0.5N样品是电子导体，室温下的平均电导率为0.157×103 S/cm，维氏硬度为538 HV。
　　在深入研究Mn3Zn0.5Sn0.5N的基础上，分别在350℃、450℃和550℃烧结制备了30 vol％和40 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N体积分数的Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al样品;分别在450℃、550℃和650℃烧结制备了40 vol％和45 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N体积分数的Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品。研究表明，Mn3Zn0.5Sn0.5N分别与Al和Cu在550℃和650℃烧结时发生了反应，未能获得设计的复合材料，而在其它烧结温度下成功制备了Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al和Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料样品。在Mn3Zn0.5Sn0.5N负热膨胀温区内，复合材料样品的热膨胀系数均比基体明显减小，烧结温度对热膨胀系数影响不大，体积分数对热膨胀系数影响则较为明显;30vol％和40 vol％-Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al样品的热膨胀系数分别为5.50×10-6 K-1和2.38×10-6 K-1，40 vol％和45 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的热膨胀系数分别为2.68×10-7 K-1和-1.28×10-6 K-1，Mn3Zn0.5Sn0.5N有效降低了基体的热膨胀效应，而Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品更是呈现出近零膨胀;Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al样品的热膨胀曲线与ROM模型预测结果具有很高的一致性，而Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的热膨胀曲线与Turner模型预测结果较为接近，表明Mn3Zn0.5Sn0.5N的高刚性并未抑制Al膨胀，而对Cu膨胀有抑制效果。两类复合材料样品的电导率均在104 S/cm数量级，随烧结温度升高略有降低，随体积分数增加则减小显著，与Pal复合材料电导率理论模型（修正因子取2.5）均具有较好的相关性。与基体相比，Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al样品的硬度仍然较低，其中450℃烧结制备的40vol％-Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al的维氏硬度为84.6 HV，为所制备Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al复合材料中最大值;Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的硬度则提升较为明显，其中450℃烧结制备的40 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的维氏硬度为186.2 HV，为所制备Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料中最小值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热膨胀

1．1．1 热膨胀定义和机理

1．1．2 热膨胀系数

1．1．3 热膨胀与其它物理量的关系

1．1．4 热膨胀的影响因素

1．2 负热膨胀材料

1．2．1 负热膨胀材料发展概况

1．2．2 负热膨胀机理

1．3 反钙钛矿负热膨胀材料

1．3．1 反钙钛矿负热膨胀材料体系

1．3．2 反钙钛矿锰氮化合物负热膨胀机理

1．3．3 反钙钛矿锰氮化合物特性

1．4 负热膨胀复合材料

1．5 课题研究意义与方法

第二章 材料制备与检测

2．1 实验药品与设备

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验设备

2．2 反钙钛矿锰氮化合物的制备

2．3 负热膨胀材料复合材料的制备

2．4 测试与表征

2．4．1 X射线衍射分析

2．4．2 热膨胀性能测试

2．4．3 电导率测试

2．4．4 硬度测试

第三章 Mn3Zn0．5Sn0．5N负热膨胀机理及性能分析

3．1 Mn3Zn0．5Sn0．5N物相分析

3．2 Mn3Zn0．5Sn0．5N负热膨胀性能分析

3．3 Mn3Zn0．5Sn0．5N磁性能分析

3．4 Mn3Zn0．5Sn0．5N电导率及硬度分析

3．5 本章小结

第四章 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Al复合材料性能研究

4．1 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Al物相分析

4．2 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Al热膨胀性能分析

4．3 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Al电导率及硬度分析

4．4 本章小结

第五章 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Cu复合材料性能研究

5．1 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Cu物相分析

5．2 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Cu热膨胀性能分析

5．3 Mn3Zn0．5Sn0．5N／Cu电导率及硬度分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术研究成果