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李军等:稀上钨酸盐负热膨胀材料研究进展
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稀士钨酸盐负热膨胀材料硏究进展
李军,朱君君,程晓农
(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)
摘要:负热膨胀材料在电子、航空以及光学领域有表的AM2O,系列,以ZrW2O。为代表的AM2O。系
着广泛的应用前景,使其成为材料科学中近年来新兴列、沸石系列,以Se2W。O2为代表的稀土钨酸盐和稀
的研究热点之一。重点介绍了稀土钨酸盐材料土钾酸盐系列7。本文主要针对稀土钨酸盐材料近
A2WO12(包括Sc2W3O12、 Lu2 W:O2、Y2W3O12等)几年来的研究加以介绍
的负热膨胀研究进展,简述了此类材料的“准刚性单元
模式”负热膨胀机理,并展望了未来此类负热膨胀材料
稀土钨酸盐负热膨胀材料
的研究方向。
具有负热膨胀效应的稀土钨酸盐材料符合
关键词:稀土钨酸盐;负热膨胀;A2W3O2;刚性单元A2W3O)2或A2(WO4)3的化学通式,其中A为各种
模型
稀土元素。研究表明,具有该通式化学组成的稀土钨
中图分类号:TB34
文献标识码:A酸盐材料依照其晶体结构可以分为单斜结构和正交结
文章编号:1001-9731(2013)08-1065-0
构炳大类,而只有正交结构的稀土钨酸盐材料才具有
引言
负热膨胀效应。目前已报道的具有负热膨胀效应的稀
土钨酸盐材料主要有Sc2W。O12、Lu2WO12、Y2W3O32
材料热胀冷缩是机械、电子学、光学、医学、通信、及其复合材料等,以下将分别予以介绍
日常生活等许多领域中所面临的最普遍的问题之
2.1Sc2W3O2的负热膨胀研究
它对各种器件的性能有着很大的影响。高科技系统中
c2W3O12是最典型的稀土钨酸盐负热膨胀材料。
的精密组件装置往往会因元件材质的膨胀系数不
Sleight课题组在1998年最早报道了有关该材料的负
环境温度变化时产生应力变形而影响仪器的正常工.热膨胀研究工作。他们采用标准的固相反应工艺,
作,如天文望远镜、激光器、精密光学镜面及树底、光反以氧化钪和三氧化钨粉体为原料,经过反复研磨混合
射与光路准直等光学器件受材料热胀冷缩影响后,精后,在1373K下进行烧结制备了Sc2W3O)2材料。其
密度降低,甚至整个设备不能正常工作。在低温工程研究结果表明Se2W3O12在10~1073K范圃内表现出
领域,设备在经受室温或者高温到低温之间的温度变很高的负热膨胀性能。经过计算可得该材料的本征线
化时,材料将会受到冷热冲击,如果器件系统各种材料热膨胀系数为-2.2×10-°K1,而通过热膨胀仪测试
的膨胀系数不能很好地匹配,设备的性能将会受到很的ScaW3O12陶瓷试条的线膨胀系数则高达-11
大的影响,甚至失效。对于航天航空应用,微电子及微10-6K-1,原因可能是微裂纹的作用。 Sleight等通过
电子机械精密器件由于太空中的高混与低温的交替变里德伯尔德法计算了负热膨胀过程中Sc2WO12内有
化引起不同膨胀系数材料的体积变化使得性能降低,关键长和键角的变化,他们认为此材料的负热膨胀性
甚至失效。因此解决材料膨胀系数的匹配问题,提能归因于材料结构中桥氧的非谐性横向热振动,导致
高材料的体积抗热冲击性能,研究开发零膨胀材料或ScO。八面体与WO,六面体的耦合倾斜,而这种倾斜
负热膨胀材料成为材料工程领域迫切需要解决的问使得材料在升温过程中变得更加密实化,从而表现出
题
了较高的负热膨胀性能。
负热膨胀是指材料随着温度升高,体积缩小;温度
2000年, Weller等?以钨以及钨的两种同位素制
降低,体积变大,与常规材料的热胀冷缩现象正好相备成Sc2W2O12,采用中子粉末衍射技术,研究了
反。负热膨胀材料可以单独用于一些需要冷胀热缩的Sc2W3O12中各个位置原子的热参数的变化。结果表
场合,也可将负热膨胀材料与常规的正热膨胀材料按明Se-O-W中的桥氧原子的热振动可以用与其运
定配比和一定的方式制备膨胀系数可以精确控制的动相一致的热环来描述,并就此提出了可以更加合理
复合材料,从而根据实际应用需要制成膨胀系数为E解释其负热膨胀性的准刚性单元模式
值、负值或零的材料。到目前为止,人们对负热膨胀材
新近发现化合物Sc2(WO,)。在10~1073K温区
料的研究主要集中在以下儿个系列:以ZrV2O1为代内均为负的热膨胀性门,由于是正交结构,表现为各向
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50772044);教育部高等学校博士点基金资助项目(200802990001)
收到初稿日期:2012-10-19
收到修改稿日期:2012-12-13
通讯作者:程晓农
作者简介:李军(1979-),男,江苏扬州人,在读博土,师承程晓农教授,从事负热膨胀材料研究。