[发明专利]一种锰氮化物负热膨胀材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及负热膨胀材料及其制备技术领域，特别涉及一种锰氮化物负热膨胀材料及其制备方法。

背景技术

材料热胀冷缩是机械、电子学、光学、医学、通信、日常生活等许多领域中所面临的普遍的问题之一。它对各种器件的性能有着很大的影响。高科技系统中的精密组件装置往往会因元件材质的膨胀系数不一，环境温度变化时产生变形从而影响仪器的正常工作，如：天文望远镜、激光器、精密光学镜面及衬底、光反射与光路准直等光学器件受材料热胀冷缩影响后，精密度降低，甚至整个设备不能正常工作。在低温工程领域，设备在经受室温或者高温到低温之间的温度变化时，材料将会受到冷热冲击，如果器件系统各种材料的膨胀系数不能很好地匹配，设备的性能将会受到很大的影响，甚至失效。如活塞式制冷机工作时制冷机的活塞与气缸的体积都会受温度的影响而发生变化，如果制备活塞与气缸材料的膨胀系数不能很好地匹配，体积变化就会引起活塞与气缸之间的间隙变化，从而降低制冷机的制冷效率。在航天航空领域，微电子及微电子机械精密器件由于太空中的高温与低温的交替变化引起不同膨胀系数材料的体积变化使得性能降低，甚至失效。因此解决材料膨胀系数配合问题，提高材料的体积抗热冲击性能，研究开发零膨胀材料或负热膨胀材料成为低温工程领域迫切需要解决的问题。负热膨胀是指材料随着温度升高，体积缩小；温度降低，体积变大，与常规材料的热胀冷缩现象正好相反。负热膨胀材料可以单独用于一些需要冷膨胀热收缩的场所，也可将负热膨胀材料与常规的正热膨胀材料按一定成分配比和一定的方式制备出膨胀系数可以精确控制的复合材料，从而根据实际应用场合需要做成膨胀系数为正值、负值或零的材料。

已发现的负热膨胀材料主要集中在钼酸盐，钨酸盐、磷酸盐、硅酸盐等氧化物材料中，如Sleight等人发现的ZrW₂O₈(参见T.A.Mary，J.S.O.Evans，T.Vogt and A.W.Sleight，Science，272(1996)90-92)，以及HfW₂O₈(参见J.S.O.Evans，T.A.Mary，T.Vogt，M.A.Subramanian and A.W.Sleight，Chem.Mater.，8(1996)2809-2823)，这一系列材料在很宽的温度区间内具有负热膨胀性能，但是它们的机械加工性相对较差，也很难与其它材料，特别是金属材料形成复合材料。

化学通式为Mn₃(Cu_1-xGe_x)N的氮化物是是近年由K.Takenaka andH.Takagi发现的新型负热膨胀材料(参见K.Takenaka，H.Takagi，AppliedPhysics Letters，87(2005)261902，以及K.Takenaka，H.Takagi，Materialstransactions，47(2006)471-474)。这类负热膨胀材料具有负热膨胀系数大，机械加工性能好，导电、导热性好等优点。但是这种材料只在室温附近或稍高于室温的温度区间内表现出良好的负热膨胀性能。当温度降低时，其负热膨胀温区变狭窄，因此并不适合于在低温温区内使用。

可见，现有技术中缺少一种既具有高机械强度，又在低温温区具有较宽负热膨胀响应温区的负热膨胀材料。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术的缺陷，从而提供一种掺杂的锰氮化物负热膨胀材料；

本发明的另一任务是提供一种掺杂的锰氮化物负热膨胀率材料的制备方法。

本发明的又一任务是提供一种负热膨胀率材料。

一方面，本发明的锰氮化物负热膨胀率材料，其分子式为Mn₃(Cu_0.6Nb_xGe_0.4-x)N，其中，0<x<1。

另一方面，本发明还提供了一种制备分子式为Mn₃(Cu_0.6Nb_xGe_1-x)N的负热膨胀材料的方法，包括以下步骤：

a)将Mn₂N粉末与Cu粉末、Ge粉末和Nb粉末按照各自在所述分子式中的比例混合，并对混合物进行球磨；

b)将经过球磨后的粉末压成块状材料；

c)烧结并冷却，得到负热膨胀材料。