论文部分内容阅读
反钙钛矿锰氮化合物是一种具有优良热学、电学、磁学及力学等性能的负热膨胀材料，其负热膨胀系数很大，可作为新型的高效热膨胀补偿器制备近零膨胀材料。随着科学技术的发展，诸多领域对材料及器件精度的要求越来越高，因此反钙钛矿锰氮化合物及其复合材料在微电子、光学仪器及航空航天等高精密领域具有巨大的应用价值。 本论文通过固相反应合成了负热膨胀材料Mn3Zn0.5Sn0.5N。将Mn3Zn0.5Sn0.5N作为热膨胀补偿器，采用固相烧结分别制备了Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al和Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料。采用XRD分析样品结构，热机械分析仪测试样品的热膨胀性能，测试Mn3Zn0.5Sn0.5N及复合材料样品的电导率和维氏硬度，分析烧结温度和Mn3Zn0.5Sn0.5N含量对复合材料性能的影响，对反钙钛矿锰氮化合物近零膨胀复合材料进行了初步探索。 Mn3Zn0.5Sn0.5N样品具有典型的反钙钛矿结构，由于Sn掺杂，样品的衍射峰向高角度偏移。Mn3Zn0.5Sn0.5N样品在301.3-363.2 K(ΔT=62 K)温区内呈现出负热膨胀，将实验数据线性拟合得到负热膨胀系数为-19.16×10-6 K-1。在300-350 K温区内，Mn3Zn0.5Sn0.5N样品磁化率发生突变，表现为典型的反铁磁-顺磁转变。随温度升高，样品磁矩重排，磁结构改变，晶格参数减小，宏观上表现出负热膨胀。Mn3Zn0.5Sn0.5N样品是电子导体，室温下的平均电导率为0.157×103 S/cm，维氏硬度为538 HV。 在深入研究Mn3Zn0.5Sn0.5N的基础上，分别在350℃、450℃和550℃烧结制备了30 vol％和40 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N体积分数的Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al样品;分别在450℃、550℃和650℃烧结制备了40 vol％和45 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N体积分数的Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品。研究表明，Mn3Zn0.5Sn0.5N分别与Al和Cu在550℃和650℃烧结时发生了反应，未能获得设计的复合材料，而在其它烧结温度下成功制备了Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al和Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料样品。在Mn3Zn0.5Sn0.5N负热膨胀温区内，复合材料样品的热膨胀系数均比基体明显减小，烧结温度对热膨胀系数影响不大，体积分数对热膨胀系数影响则较为明显;30vol％和40 vol％-Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al样品的热膨胀系数分别为5.50×10-6 K-1和2.38×10-6 K-1，40 vol％和45 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的热膨胀系数分别为2.68×10-7 K-1和-1.28×10-6 K-1，Mn3Zn0.5Sn0.5N有效降低了基体的热膨胀效应，而Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品更是呈现出近零膨胀;Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al样品的热膨胀曲线与ROM模型预测结果具有很高的一致性，而Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的热膨胀曲线与Turner模型预测结果较为接近，表明Mn3Zn0.5Sn0.5N的高刚性并未抑制Al膨胀，而对Cu膨胀有抑制效果。两类复合材料样品的电导率均在104 S/cm数量级，随烧结温度升高略有降低，随体积分数增加则减小显著，与Pal复合材料电导率理论模型（修正因子取2.5）均具有较好的相关性。与基体相比，Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al样品的硬度仍然较低，其中450℃烧结制备的40vol％-Mn3Zn0.5 Sn0.5N/Al的维氏硬度为84.6 HV，为所制备Mn3Zn0.5Sn0.5N/Al复合材料中最大值;Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的硬度则提升较为明显，其中450℃烧结制备的40 vol％-Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu样品的维氏硬度为186.2 HV，为所制备Mn3Zn0.5Sn0.5N/Cu复合材料中最小值。