[发明专利]Nb5+掺杂的单斜相VO2金属‑绝缘体相变陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变陶瓷材料技术领域，具体涉及一种Nb⁵⁺掺杂的单斜相 VO₂金属-绝缘体相变陶瓷及其制备方法。

背景技术

导体与非导体的能带结构不同,导体的电导主要决定于费米面附近的情况，如果通过改变外界条件能够影响到能带结构或费米能级,则就可以引起金属导体与绝缘体间的转变。二氧化钒(VO₂)具有金属-绝缘体相变(MIT)特性，是一种智能热致变色材料。在68℃附近VO₂由低温单斜半导体相转变为高温四方金属相，其光电及磁学性能随之发生了很大的可逆变化，使得成为一种有广泛应用前景的光电转换材料、光存储、激光保护和智能窗材料，在理论研究和应用上均具有很高的价值。VO₂薄膜在低温时具有较高的红外透过率，在高温时红外透过率却很低，利用这一特性，可在玻璃衬底上沉积不同生长取向的二氧化钒薄膜，通过其在不同温度下对红外光透过率的改变，实现智能调节红外辐射的入射量起到保持室温的目的。因此，在实际应用中，需要将VO₂的相变温度从68℃降低至室温乃至更低温度。

为拓展材料的应用范围，如何可控降低VO₂的相变温度成为研究热点。据报道，通过掺杂、应力、改变晶粒尺寸等可以调节VO₂相变温度，然而从材料的维度即VO₂薄膜考虑，掺杂比例不能有效调控，继而不能实现可控调节相变温度；另一方面，薄膜的制备工艺成本高昂，程序复杂，难以进行产业化生产。此外，通过改变应力和晶粒大小改变VO₂的相变温度，调节空间较小，重复性差，不能实现可控连续调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Nb⁵⁺掺杂的单斜相VO₂金属-绝缘体相变陶瓷及其制备方法，用该方法制备的VO₂块体材料相变温度可降低至室温25℃乃至更低，其工艺过程少，用料简单，能耗低，制备的陶瓷材料物理性能优越。

为解决上述技术问题，本发明提出的Nb⁵⁺掺杂的单斜相VO₂金属-绝缘体相变陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温下，首先，将称量好的柠檬酸放入烧杯中，加入去离子水，在磁力搅拌下溶解，形成透明溶液；然后称量分析纯的五氧化二钒放入烧杯中，一并磁力搅拌，形成均匀溶液；其中五氧化二钒与柠檬酸的物质的量比为 1:1.5～2.5，混合溶液的柠檬酸-五氧化二钒浓度为0.025±5％g/mL；

(2)将搅拌均匀的混合溶液倒入密闭高温高压容器中，然后将容器放入烘箱中以170℃～190℃加热，保证容器内部进行高温高压水热反应；反应时间为5～10h；

(3)待反应结束后，再对反应液进行固液分离：将沉淀进行离心清洗；再将沉淀悬浊液倒入烧杯中，最后放入烘箱中80℃～100℃干燥，得到正交相 VO₂粉体；

(4)将正交相VO₂粉体在真空环境下500℃～600℃热处理1～2h，去除有机物，且真空热处理过程中发生相变，得到单斜相VO₂粉体；

(5)根据铌的掺杂比例，计算得到的化学计量比分别称取上述步骤所制备的单斜相VO₂粉体和Nb₂O₅粉体，研磨、压片烧结，烧结温度为 1000～1100℃，烧结时间为10～12h，得到片状烧结物；上述铌掺杂比例为烧结物中钒与铌的原子数量比为99％:1％～97％：3％；

(6)将上述得到的片状烧结物捣碎并充分研磨2h后压片，放入洁净石英方舟内，再放入管式炉中；以普纯氩气300sccm冲洗管式炉石英管中气体环境15min后，再以泵抽吸管式炉，直至管内压强≤0.1Pa，再进行管式炉加热，以5℃/min升温至1000-1100℃，保温5-6h后随炉冷却至室温，得到掺Nb⁵⁺的单斜相VO₂金属-绝缘体相变陶瓷块体。

所述固液分离采用离心分离，离心转速为5000r/min～6000r/min，离心时间为3～5min。

优选的，所述真空热处理采用石英管式电阻丝炉，加热前先通入普纯氩气，氩气气体流速为300sccm～400sccm冲洗石英管10-20min。

优选的，热处理前，石英管内的压强≤0.1Pa。