[发明专利]一种Ca3Si合金材料及其高温高压制备方法

说明书

本发明公开了一种Ca₃Si合金材料及其高温高压制备方法，属于合金材料制备领域。所述的Ca₃Si合金材料中，Ca和Si的成分摩尔比为3~3.5:1，空间群为，晶格常数为4.8336Å，Si原子占据四个顶点，而Ca原子在立方体的6个面心，其制备方法为：以Ca粉和Si粉为原料，Ca粉和Si粉的摩尔比为3.0~3.5:1，经混料压块、组装、高温高压合成、冷却卸压的工艺过程制得Ca₃Si合金材料，压力为5~15 GPa，合成温度为1200~2000K。本发明具有工艺简单、操作容易、成本低和产品组分易控制等优势，所得的立方相Ca₃Si块状合金，产品纯度较高，结合紧密，有较好的产业化前景。

技术领域

本发明属于合金材料制备领域，具体涉及一种Ca₃Si合金材料及其高温高压制备方法。

背景技术

碱土金属硅化物由于其自然元素丰富以及无毒性，近十几年来被人们广泛的研究。钙的硅化物是其中一种碱土金属硅化物，目前在常温常压下稳定的钙的硅化物有：Ca₂Si, Ca₅Si₃, CaSi, Ca₃Si₄, Ca₁₄Si₁₉, 和CaSi₂。然而，施加外部压力是一种使得亚稳定或者不稳定的相转变为稳定相的一种有效方法。已有实验表明，在10~15GPa的压力下，CaSi₃和CaSi₆已经成功合成。目前为止，没有文献报道过比Ca₂Si富含更多Ca的Ca-Si二元合金。然而，在高温高压下我们成功合成了Ca₃Si，其Ca和Si的成分摩尔比大约为3:1。因为Si元素的特殊性，所以根据不同Si的含量，所形成的钙的硅化物的电子结构也有很大的区别。一般来说，拥有低的硅含量的钙的硅化物倾向于形成半导体，反之倾向于形成金属。据文献报道，Ca₂Si是一种拥有直接带隙的半导体，其带隙值约为0.56 eV。Ca₃Si₄是一种拥有间接带隙的半导体，其带隙值为0.34 eV。CaSi拥有铬化硼结构，铬化硼结构拥有很好地储氢能力，经研究证明CaSi拥有很好地储氢和释放氢功能，并且CaSi的能带体现出金属性质。CaSi₂也被报道是一种超导材料。所以这些也证明了上述所说拥有低的硅含量的钙的硅化物倾向于形成半导体，反之倾向于形成金属。所以Ca₃Si很可能是一种半导体材料，半导体材料在热电领域以及光电子器件中拥有极大的运用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种Ca₃Si合金材料及其高温高压制备方法。本发明的立方相Ca₃Si块状合金，产品纯度较高，结合紧密，并且制备方法操作简单、产品组分易控制，所制得的立方相Ca₃Si合金材料有望应用可以广泛应用于各个领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Ca₃Si合金材料，Ca和Si的成分摩尔比为3~3.5:1，空间群为，晶格常数为4.8336 Å，Si原子占据四个顶点，而Ca原子在立方体的6个面心，其制备方法为：以Ca粉和Si粉为原料，经混料压块、组装、高温高压合成和冷却卸压的工艺过程制得Ca₃Si合金材料，具体包括以下步骤：

（1）混料压块：将Ca粉和Si粉按摩尔比3.0~3.5:1在Ar保护气氛下放入球磨罐中进行球磨，得到混合物，按合成腔体大小压成块状；

（2）组装：将步骤（1）所得块状胚料装入加热容器，放入合成腔体中；

（3）高温高压合成：将步骤（2）组装好的胚料放在高压装置上施加的压力为5~15GPa，并且进行加热，加热温度为1200~2000K，保温保压20~100分钟；