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1、扬州大学本科生毕业论文 本科生毕业论文 毕业论文题目Y2-xLaxMo3O12制备及其热膨胀性能研究 学 生 姓 名 所 在 学 院 物理科学与技术学院 专业及班级 物理 0801 指 导 教 师 完 成 日 期 2012年 5 月 6 日 Y2-xLaxMo3O12制备及其热膨胀性能研究(x=0,0.5,2) （扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州 225002）摘要 以Y2O3、La2O3和MoO3为原料，采用固相反应法制备Y2-xLaxMo3O12(x=0,0.5,2)陶瓷材料样品。利用X射线粉末衍射和场发射扫描电子显微镜分别对样品进行物相、晶体结构分析以及形貌观察；通过热重分析了样品的
2、热性能；采用热膨胀仪测定了样品的热膨胀系数。结果表明:Y1.5La0.5Mo3O12是单斜系晶体，其结构类型与Tb2Mo3O12相同，而且没有吸水特性。与Y2Mo3O12和La2Mo3O12相比，Y1.5La0.5Mo3O12晶胞更密集，其相对密度达到94.12%的理论值。最重要的是，它表现出了几乎为零的热膨胀率，178C 600C的热膨胀系数是0.8710-6K-1。Y2Mo3O12是负热膨胀材料而La2Mo3O12是正热膨胀材料，它们的热膨胀系数分别为-12.0610-6 K-1和8.8810-6 K-1。关键词：钼酸盐；陶瓷；晶体结构；热膨胀Abstract The samples of
3、 Y2-xLaxMo3O12 (x=0, 0.5, 2) ceramics were prepared by theconventional solid-state reaction method using Y2O3、La203 and MoO3.The phase,crystal and morphology of the ceramics were characterized by powder X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) respectively . Th
4、e thermodynamic property of the samples was characterized by thermo gravimetric analysis(TGA). The thermal expansion coefficients of the samples were measured by thermal dilatometer. Results indicate that the Y1.5La0.5Mo3O12 crystallizes in monoclinic Tb2Mo3O12-type structure and it is non-hygroscop
5、ic. The Y1.5La0.5Mo3O12 ceramic is denser than the Y2Mo3O12 and La2Mo3O12 ceramics, and its relative density can reach 94.12% of the theoretical value. Most importantly, it shows almost zero thermal expansion and its thermal coefficient is 0.8710-6K-1 from 178C to 600C. Y2Mo3O12 ceramic shows negati
6、ve thermal expansion whereas La2Mo3O12 ceramic shows positive thermal expansion, their thermal expansion coefficients being -12.0610-6 K-1 and 8.8810-6 K-1 ,respectively .Key words: Molybdates; ceramics; Crystal structure; Thermal expansion目录一 引言3 1.1研究背景 3 1.2研究概况 3 1.3发展趋势 4 1.4应用前景 5 1.5负热膨胀机理 5
7、1.5.1热膨胀5 1.5.2相变7 1.5.3磁致收缩8 1.5.4桥原子的低能横向热振动模式9 1.5.5刚性(准刚性)多面体的旋转耦合模式9二 实验11 2.1 Y2-xLaxMo3O12(0 x 2)陶瓷样品的制备11 2.2样品测量与分析12三 结果与讨论13 3.1 X射线粉末衍射图谱分析13 3.2热重曲线分析13 3.3形貌观察与晶体结构分析14 3.4热膨胀曲线分析15四 结论17五 致谢17六 参考文献17一 引言1.1研究背景随着材料科学的不断发展，材料在各个领域的应用日益广泛。与此同时，材料性能的要求也日益苛刻。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
8、等许多领域都必须面临的主要问题，如高温发动机部件热震受损。根据热膨胀系数的大小，通常将热膨胀材料分为:高热膨胀材料(平均线膨胀系数810-6/C）、中热膨胀材料（平均线膨胀系数=2810-6/C）、低热膨胀材料(平均线膨胀系=0210-6/C）和负热膨胀材料(平均线膨胀系数0/C)。研究开发低热膨胀材料或零热膨胀材料，可以大大增强材料的抗热冲击性能，提高材料的使用寿命，扩展材料的应用范围。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，在一定温度范围内，其体积随着温度的升高而减小，我们称之为负热膨胀材料。根据负热膨胀特性的
9、不同，可分为各向同性和各向异性负热膨胀材料，各向同性的负热膨胀材料是指各个晶轴方向的负热膨胀特性相同，各向异性的负热膨胀材料仅在晶轴的某一个方向或者某二个方向具有负热膨胀特性，而其余方向具有正的热膨胀特性，所以各向异性的负热膨胀多晶材料可能在宏观上表现为正热膨胀材料。负热膨胀材料可单独使用，也可与常规正热膨胀材料按一定成分配比、按一定方式制备成复合材料，根据实际需求精确控制材料的膨胀系数，它广泛应用于航天材料、发动机部件、集成线路板和光学器件等许多领域1-7。1.2研究概况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。迄今为止，负热膨胀材料仅仅经历了不到100年的发展历史。大致把它分
10、为两个发展阶段:萌芽阶段和兴起阶段。第一个阶段，从20世纪初到20世纪90年代初期，称为负热膨胀材料的萌芽期。这段时间发现和研究的负热膨胀和低热膨胀材料种类比较多。合金方面的有因瓦合金，如Lu2Fe17和Y2Fe17磁性材料，在大约400K以下表现出负热膨胀行为。半导体材料有Si、Ga、GaAs等。铁电材料有钛矿铁电体PbTiO3、BaTiO3、LaCrO3等。还有冰、石英、Cu2O、NbOPO4、GaP、AgI、NaZr2(PO4)3(NZP)、AlPO4、Mg2Al2Si3O18、CuCl、CuFeS2等其它化合物和矿石。这些材料种类较多，负热膨胀机理也不尽相同，对这些材料的研究为以后负热
11、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。第二个阶段，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10年左右的时间。1995年，美国俄勒冈州立大学(Oregon State University)的Sleight研究组发现ZrV2-xPxO7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研究组又发现了负热膨胀材料ZrW2O8。1996年，研究发现ZrW2O8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。该项研究被1997年美国“发现
12、”(Diseover)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A2M3O12为化学通式的钨酸盐和钼酸盐系列的负热膨胀材料和以AV2O7为化学通式的钒酸盐系列的负热膨胀材料等，其中Sc2W3O12呈现出负热膨胀性能的温度范围至少在101200K，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Lu2W3O12。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ZrMo2O8等。1999年，英国圣安德鲁斯大学的W
13、oodcock David等人研究发现Y2W3O12在293873K的温度范围内具有很强的负热膨胀性能。印度科学院的L.Sebastian、S.Sumithra、A.M.Umarji等人用膨胀仪测出以A2Mo4O15为化学通式的一些钼酸盐在特定的温区内具有负热膨胀行为。这些发现和研究连续在Nature，Science，Phys.Rev.Lett.等国际杂志上发表，引起了广泛的注意。新发现的负热膨胀氧化物材料总结起来，主要有以下三种类型:(l)AM2O8(A=Zr，Hf，M=W，Mo);(2)AM2O7(A=Ti，Zr，Hf，Sn等四价阳离子，M=P，V);(3)A2M3O12(A=Sc，Y，Lu，Er等三价阳离子，M=W，Mo)8-13。1.3发展趋势 负热膨胀材料既可单独使用，也可用于复合材料，是具有广泛应用潜力的结构和功能材料，对它的研究已经引起了全世界材料科学家的关注和兴趣，到目前为止，所发现的负热膨胀材料种类十分有限，其发展主要有以下几种趋势:(l)通过高温X射线、高温中子衍射等技术进一步揭示负热膨胀材料的作用机理，开发更多的负热膨胀温度区间较宽，负热膨胀性能稳定，应用广泛的负热膨胀材料。(2)将两种结
