固溶體Fe2-xYbxMo3O12的相變、吸水性及熱膨脹性能.pdf

1、自然界中大部分的材料具有的一般熱學(xué)性質(zhì)是“熱脹冷縮”，但材料的這一熱膨脹性質(zhì)導(dǎo)致的熱應(yīng)力是精密器件性能下降或失效的最主要原因。利用與受熱收縮的負(fù)熱膨脹材料的復(fù)合可以獲得近零膨脹材料或可控?zé)崤蛎洸牧希岣卟牧系目篃釠_擊性，實現(xiàn)隨溫度變化器件的性能變化很小或不變的目標(biāo)，更進一步延長器件的使用壽命成為了當(dāng)代亟需要解決的重要問題。
　　 負(fù)熱膨脹材料目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾類，其中A2M3O12系列材料是很重要的一個分支。具有這一結(jié)構(gòu)的材料有鎢酸

2、鹽和鉬酸鹽兩大類，其中A是代表金屬陽離子，M是代表W或者是Mo。在A2M3O12系列材料中，由于A的離子半徑大小不同室溫時材料可能以單斜或正交相的晶體結(jié)構(gòu)存在。研究表明只有具有正交相晶體結(jié)構(gòu)的材料才能表現(xiàn)出明顯的負(fù)熱膨脹的性質(zhì)。A離子半徑的大小影響了負(fù)熱膨脹系數(shù)的大小，A離子半徑小，則負(fù)熱膨脹的系數(shù)就比較小，若A的離子半徑較大，則該材料的負(fù)熱膨脹系數(shù)也相應(yīng)的增大，并且涵蓋的溫度范圍也會相應(yīng)的更寬一些。但同時存在一個問題，A離子半徑增大導(dǎo)

3、致開放式晶體結(jié)構(gòu)的空隙相應(yīng)增大，水分子比較容易進入晶體結(jié)構(gòu)，致使了材料的負(fù)熱膨脹性質(zhì)的消失。為了使這類材料的相變溫度能涵蓋室溫，并且盡量降低材料的吸水性，使材料更大范圍內(nèi)得到應(yīng)用，有較多的人員開展了研究。
　　 通?？梢圆扇诫s的方法來解決這一類的問題，用大半徑的陽離子部分替代較小半徑的陽離子來達到降低相變溫度點的目的，用小半徑的陽離子來替代大半徑的陽離子以達到減小吸水性的目的。本課題組曾經(jīng)利用小半徑的Fe3+(64.5pm)和

4、Al3+(53.5pm)分別替代Y2Mo3O12中的Y3+離子和Yb2Mo3O12中的Yb3+離子，成功的降低了Fe2Mo3O12和Al2Mo3O12單斜向正交相轉(zhuǎn)變的相變點，同時也降低了Y2Mo3O12和Yb2Mo3O12的吸水性。在以上基礎(chǔ)上，本論文用比Al3+半徑更大的Fe3+替代比Y3+半徑還小的Yb3+離子，從降低相變點和減小吸水性得到了更令人滿意結(jié)果。
　　 本論文的實驗第一部分內(nèi)容就是制備Fe2-xYbxMo3O1

5、2(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8和2)系列材料，并通過X射線衍射圖譜、Raman光譜、熱分析以及熱膨脹系數(shù)的測量對材料的結(jié)構(gòu)、相變、吸水性及熱膨脹性能進行了研究。實驗結(jié)果表明，室溫下當(dāng)x≤0.4時，F(xiàn)e2-xYbxMo3O12是單斜相的晶體結(jié)構(gòu)，而當(dāng)x≥0.6時其固溶體則是正交相的晶體結(jié)構(gòu)。該系列材料的單斜相向正交相的轉(zhuǎn)變溫度點隨著Yb3+含量的增加而下降，當(dāng)x=0.6時，即Fe1.4Yb0

6、.6Mo3O12在室溫范圍內(nèi)已經(jīng)可以實現(xiàn)了單斜相向正交相的完全轉(zhuǎn)變，并且能保持正交結(jié)構(gòu)到很低的溫度點。Fe2-xYbxMo3O12系列材料中的水分子有兩種。其中一種水分子在較低溫度時就能夠釋放出去，這一種水分子并沒有進入晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。另外的一種水分子則只能在比較高的溫度時才能夠釋放出去，這類水分子在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，能夠?qū)w的分子振動產(chǎn)生很大的影響，材料負(fù)膨脹效應(yīng)的分子振動被限制，整體上表現(xiàn)出正膨脹的熱學(xué)性質(zhì)。通過對熱重的分析可以計算出F

7、e2-xYbxMo3O12在x=0.2時含有2.3個水分子，F(xiàn)e1.8Yb0.2Mo3O12的相變溫度點比之前制備的Fe1.8Y0.2Mo3O12的相變溫度點低了30K左右，并且明顯的降低了材料的吸水性。Fe2-xYbxMo3O12系列材料與之前制備的Fe2-xYxMo3O12系列材料以及Yb2-xAlxMo3O12系列材料比較顯示相變點的降低和吸水性的減少都有明顯的改善。
　　 本論文的第二部分實驗內(nèi)容是對Fe2Mo3O12材