[发明专利]一种热膨胀系数可控的金属基陶瓷材料Al-Zr2P2WO12的烧结合成方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及了一种热膨胀系数可控的金属基陶瓷材料Al-Zr₂P₂WO₁₂的烧结合成方法。

背景技术

由于不同材料具有不同的热膨胀系数，温度变化产生的热应力常常会引起材料或器件的性能下降、临时性或永久性失效、脱落和断裂等一系列问题，如光纤布拉格光栅中心波长随温度漂移、空间望远镜焦距随温度变化引起成像质量下降、热透镜效应、航天器隔热层脱落等。再如固体氧化物燃料电池的陶瓷电极（一般工作温度为800-1000^oC）与外电路的连接等都会因为材料热胀系数的不匹配带来一系列问题（陶瓷电极开裂、陶瓷与金属连接松动或脱落等，严重影响电池的寿命和可靠性能）。由于绝大多数材料都具有热胀冷缩性质且随温度有不同的膨胀系数，而热效应又无时无地存在，如航天器飞行时阴阳面温差高达300^oC，特别是高温和温度剧烈变化的场合，问题更加严重。通常为解决热效应带来的问题通常采用非常复杂的结构设计来进行补偿（如空间望远镜等）或严格控制环境温度（如精密仪器的使用等）或采取庞杂的散热措施（如高功率激光器等）等。近年来，涵盖室温的大温度范围负热膨胀（热缩冷胀）材料的发现为制备零膨胀和膨胀系数可控的材料，解决由于热效应带来的工程和技术上的难题提供了极大的机遇和可能性。

金属一般具有很好的韧性、导电和导热性，但是其硬度较低，热膨胀系数较大；陶瓷一般拥有很高的硬度，但是韧性较差、易碎，是电和热的不良导体。利用金属和陶瓷复合可以制备出金属基陶瓷，同时可以兼顾二者的优点。但多数陶瓷材料具有正的热膨胀系数，因此利用金属和常规陶瓷的复合对热膨胀系数的调控有限，不能得到零膨胀和低或负膨胀材料。

目前，利用负热膨胀材料和其他材料复合研究较多的有负热膨胀材料ZrW₂O₈与ZrO₂的复合 (H. F. Liu et al. Inte. J. Mod. Phys. B 23, 144-1454 (2009)、负热膨胀材料Y₂W₃O₁₂与ZrSiO₄的复合/ (I. Yanase et al. J. Eur. Ceram. Soc. 29 (2009) 3129–3134)、负热膨胀材料ZrW₂O₈与负热膨胀材料Zr₂P₂WO₁₂的复合。由于ZrW₂O₈室温下是亚稳相，且在不太高的温度下（150^oC）发生α相（膨胀系数：-9×10^-6/^oC）到β相（膨胀系数：-5×10^-6/^oC）转变，在不太高的压力（0.21Gpa）下发生α相（负热膨胀）到γ相（低正膨胀）转变，使其与其他材料复合时很容易发生分解或相变，不仅会使实际膨胀系数与设计的有较大偏差，同时很难用于高温和压力较大的场所。如与铜的复合，在复合材料制备条件下就会产生γ相(S. Yimaz, Comp. Sci. Technol. 62, 1835 (2002))，而与铝复合很易发生分解 (A. Matsumoto et. al. Mater. Sci. Forum 426, 2279 (2003))。如何实现负热膨胀材料与正膨胀材料特别是与金属材料复合制备零膨胀和膨胀系数可控的材料目前仍是一个巨大技术难题。