复合氧化物负热膨胀材料研究进展

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复合氧化物负热膨胀材料研究进展*

谭强强1,张中太2,方克明3

(1.中国科学院电工研究所,北京100080;2.清华大学材料科学与工程系,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084;

3.北京科技大学物理化学系,北京100083)

摘要:在总结和分析负热膨胀材料的发展历史和近10年来

的主要研究成果的基础上,简要介绍了几种具有异常的热膨胀

行为的新材料的负热膨胀性能,并对负热膨胀机理作了探讨,总

结了负热膨胀材料的结构特点,并对其应用前景和发展趋势进

行了预测。

关键词:氧化物;负热膨胀;负热膨胀机理;结构特征

中图分类号:TF174 文献标识码:A

文章编号:1001-9731(2003)04-0353-04

1 引言

随着材料科学的不断发展,陶瓷材料在各个领域的应用日益

广泛。与此同时,对材料性能的要求也越来越苛刻。最普遍的问

题之一就是热膨胀,这是机械、电子、光学和结构材料等许多领域

都必须面临的主要问题。因此,研究开发低热膨胀材料或零膨胀

材料,可以大大的提高材料的抗热冲击性能,延长材料的使用寿

命,扩展材料的应用范围,从而降低生产成本,提高经济效益和社

会效益。为了适应各个领域对材料的热膨胀性能的特殊要求,负

热膨胀材料已经绽露头角,成为材料研究领域的一个新兴的分支

学科。到目前为止,所发现的负热膨胀材料种类十分有限,因而

研究开发更多的负热膨胀材料,将是解决材料热膨胀问题的关

键。针对以上问题,本文总结了负热膨胀材料的研究概况,对负

热膨胀机理进行了探索,并对其发展前景进行了展望。

2 发展概况

众所周知,大多数材料在外界温度变化时都具有热胀冷缩

行为,这是自然界的一种普遍现象。但也有极少数材料具有异

常的热膨胀性质,既负热膨胀行为,如堇青石[1~3]、!-锂霞石[4]、

NaZr

2P

3

12

[5]、!-方石英[6~8]、沸石[9]等材料。在一定温度范围

内,平均热膨胀系数为负值的材料,我们称之为负热膨胀材料。

负热膨胀材料研究是材料科学中的一门近年来新兴的分支学科。屹今为止,负热膨胀材料仅仅经历了近六、七十年的发展历史。我们大致把它分为两个发展阶段:萌芽阶段和兴起阶段。

第一个阶段,从20世纪30年代中期到80年代末期,称为负热膨胀材料的萌芽期。1935年,最早由Btssem等实验发现具有很小热膨胀系数的!-方石英[10],1975年由Wright[6]等研究者实验证实。1951年,~ummel[11]研究发现!-锂霞石的结晶聚集体呈现出负的体积膨胀,为发展具有优良的热震稳定性的低热膨胀材料指明了方向。人们立即意识到,可以制备出在一定温度范围内体积稳定的零膨胀材料。后来,经过不断研究,相继生产出一系列低热膨胀玻璃陶瓷等材料。萌芽阶段为负热膨胀材料的开发和研究奠定了坚实的理论基础和物质基础。

第2个阶段,从20世纪90年代初期到现在,为负热膨胀材料的兴起阶段。实际上,负热膨胀材料的发展兴起仅仅6、7年的时间。1995年,由美国俄勒冈州立大学(0regon State Univer-sity)Sleight研究发现[12]ZrV

2-!

P

!

7

系列的负热膨胀材料均表现为各向同性的负热膨胀行为,而且其中有些材料的负热膨胀的温度范围宽度可达到950C。1995年,Sleight研究组发现了

负热膨胀材料ZrW

2

8

[13]。1996年,研究发现ZrW

2

8

在0.3K 到分解温度1050K的整个温度范围内都表现出负热膨胀行为[14],该项研究被1997年美国“发现”(Discover)杂志评为1996年100项重大发现之一。1997年,Sleight研究组研究发现

了以A

2

M

3

12

为化学通式的钨酸盐和钼酸盐系列的负热膨胀材

料[15]和以AV

2

7

为化学通式的钒酸盐系列的负热膨胀材料

等[16],其中Sc

2

W

3

12

呈现出负热膨胀性能的温度范围至少从10~1200K[17],这大概是目前所发现的负热膨胀温度范围最宽的负热膨胀材料。1998年,Sleight研究组发现了负热膨胀材料

Lu

2

W

3

12

[18]。美国亚特兰大佐治亚技术学院(Georgia Institute of Technology)的Lind Cora等研制出负热膨胀材料立方Zr-

Mo

2

8

[19]等。1999年,英国圣·安德鲁斯大学的Woodcock Da-vid等人研究了菱沸石的负热膨胀性能[20],在293~873K的温度范围内,其负热膨胀系数为-0.5>10-6~-16.7>10-6K-1等等。在这个阶段,主要是以Sleight研究组为代表,研究开发

出了以ZrW

2

8

为代表的各向同性负热膨胀材料,和以

Sc

2

W

3

12

为代表的各向异性负热膨胀材料。目前,国内也有较少的研究报道。

3 负热膨胀材料

3.1 热膨胀

材料的热膨胀性能用热膨胀系数来表示。热膨胀系数表征材料受热时线变化或体积变化的程度,是材料的重要热学性能之一。材料的热膨胀性能与材料的抗热震性能、受热后的热应力的分布和大小,都有着十分密切的关系。因此,对于材料的热膨胀性能,也就是对热膨胀系数的大小和方向的研究,就显得尤为重要。热膨胀系数分为线膨胀系数和体膨胀系数。

设长度为"的材料,当温度变化为d#时,长度变化为d"。

定义[21]线膨胀系数!

T

和体膨胀系数"

T

分别为:

!T=

1

"

>

d"

d#

(1)

353

谭强强等:复合氧化物负热膨胀材料研究进展

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50072009)

收稿日期:2002-05-28 通讯作者:谭强强

作者简介:谭强强(1969-),男,陕西周至人,在读博士,师承张中太教授和方克明教授,从事纳米粉体制备及新型成型工艺方面的研究。

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