[发明专利]一种固相反应烧结法制备负膨胀材料钨酸锆的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种负膨胀材料钨酸锆的制备方法。

背景技术

传统的结构材料一般由于其较大的热膨胀系数在温度变化时会产生热应力，从而削弱结构材料的强度，严重时甚至会使材料开裂失效。因此，寻求一种负热膨胀的材料，与传统的结构材料复合，以制备低膨胀材料甚至是零膨胀材料成为当前的研究热点。早期已知的负热膨胀材料有石英陶瓷、堇青石、钙钛矿铁电体PbTiO₃、半导体Si、Ga等，但这些材料的负热膨胀性能(NTE)大多局限在很窄的温度范围内，热膨胀系数偏大其各向异性，不利于制备低膨胀或零膨胀复合材料。

ZrW₂O₈具有各向同性的负热膨胀性能，且ZrW₂O₈在温度范围为1378K-1530K时达到热力学稳定，其在常温下则以亚稳态存在。目前已发现其存在三种物相，分别是低温立方相α-ZrW₂O₈、高温相β-ZrW₂O₈、高压相γ-ZrW₂O₈，其热膨胀系数分别为a_α＝-8.7x10^-6/K、a_β＝-4.9x10^-6/K、a_γ＝-1x10^-6/K。

目前，制备ZrW₂O₈的方法主要有固相反应烧结、溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法、微波合成法、燃烧法、激光烧结法、喷雾干燥法等。其中，溶胶-凝胶法具有反应周期太长的问题；水热法的反应原理复杂，时间较长；共沉淀法工艺繁琐，不易控制；而固相反应烧结法则具有原理简单，操作简便，限制条件小等优点。因此，考虑利用固相反应烧结法的优点快速而有效的制备出产率较高的钨酸锆成为一条有效的路径。

发明内容

本发明是要解决现有方法制备ZrW₂O₈繁琐，效率低的问题，提供一种固相反应烧结法制备负膨胀材料钨酸锆的方法。

本发明固相反应烧结法制备负膨胀材料钨酸锆的方法，按以下步骤进行：

一、配料：将氧化锆粉体和氧化钨粉体按照质量比为1:3.5～4的比例混合，得混合物料，然后将混合物料、氧化锆球石和蒸馏水按照质量比为1:2～5:0.5～2的比例加入到球磨罐中；

二、球磨：将步骤一中的球磨罐放置于快速球磨机或者行星式球磨机中，球磨至混合物料的平均粒径小于1μm，然后加入聚乙烯醇作为粘合剂再球磨5分钟后取出浆料；

三、烘干浆料：将步骤二中得到的浆料过40目标准筛，然后置于鼓风式干燥箱中于85-100℃烘干14～16h，再用研钵粉碎后过60目标准检验筛，得到粉末；

四、陈腐：向步骤三得到的粉末中加入蒸馏水，混合均匀，封装陈腐24h；

五、模压成形：将步骤四中陈腐完毕的粉体用压片机在110～140MPa的压力范围内模压成形，作为试样；

六、烧结：将试样置于密闭的SiC坩埚中，放在马弗炉中于500℃排胶后，先以200℃/h的升温速率加热到600℃，保温1h后，再以300℃/h的升温速率加热到温度T，其中1105℃≤T≤1260℃，保温2h，最后采用空气冷却或水冷却方式降至常温，即得到负膨胀材料钨酸锆。

本发明方法的原理：

本发明方法中球磨是为了使原料充分的混合以及细化晶粒，细小的晶粒有利于烧结以及获得良好的力学性能。烧制过程中，之所以将试样置于密闭的SiC坩埚中，是为了防止氧化钨在加热过程中挥发造成交叉污染，因为氧化钨在800℃以上时会显著挥发。