[发明专利]一种具有超大负热膨胀的粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及负热膨胀材料，特指一种具有超大负热膨胀的粉体及其制备方法；具体涉及一种锰氮化合物Mn₃Zn_0.5Ag_0.5N，其在室温附近具有超大负热膨胀性，其热膨胀系数的绝对值达到10^-5数量级；此材料具有良好的导电导热性能，化学稳定强，机械强度高，制备工艺简单，因此在航空航天，电子元件，光学元件和光纤通信等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

材料受热出现体积收缩，称之为负热膨胀现象，负热膨胀材料从20世纪开始受到国际上的关注，是一种特殊的新型功能材料；负热膨胀材料的应用可以减小温度对元器件的影响，消除热膨胀导致的内应力破坏，提高设备的性能及精度，延长使用寿命，例如，负热膨胀材料可用于制造精密光学仪器，如望远镜、激光设备、光纤通讯等系统的精确光聚焦与光路准直，使其不受温度涨落的影响；高精密光学镜的表面采用零膨胀材料作涂层，可防止因温度变化而引起光学性能降低，此外，在电子工业中，可控热膨胀材料可与基体硅的热膨胀匹配，控制印刷线路板和散热片的热膨胀。

1995年，Sleight研究小组发现了负热膨胀材料ZrW₂O₈，此后，负热膨胀材料成为材料科学中的一枝奇葩，迄今已研究开发出AM₂O₇(M=V，P)、AM₂O₈、A₂M₃O₁₂(M=W，Mo)、M(CN)₂以及Mn₃AN(A=Ge，Cu，Zn，Sn等)系列，其中Mn₃AN系列更是近十年内研究的热点；此类负热膨胀材料与其他系列相比有很大的优势，可通过在A位掺杂元素来调控材料的热膨胀系数，且以单相物质就可达到近零膨胀，制备工艺简单，并且具有良好的物理性能，应用更加广泛；目前所发现的Mn₃AN负热膨胀材料，其负热膨胀系数大约在-5~-38×10^-6/K，如Mn₃Zn_0.6Sn_0.4N其热膨胀系数是目前为止最大的，在410-440K达到α=-38×10^-6/K，我们通过用Ag掺杂Mn₃ZnN化合物得到一种在室温附近具有超大负热膨胀系数的粉体，其热膨胀系数大约为-81×10^-6/K，这种材料的热膨胀系数比现有发现的所有锰氮化合物负热膨胀材料的热膨胀系数大一倍多。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种在一定温度范围区间具有超大负热膨胀系数，其负热膨胀系数达到-81×10^-6/K的Mn₃Zn_0.5Ag_0.5N粉体，是目前为止具有最大负热膨胀系数的锰氮化合物，该材料可用于航空航天，微电子器件，光信息传播器件和建筑材料等领域。

本发明一种具有负热膨胀特性的反钙钛矿结构的粉体材料，其分子式为Mn₃Zn_0.5Ag_0.5N，由Mn，Zn，Ag，N元素组成，其原子比为Mn：Zn：Ag：N=6：1：1：2，其晶体结构为反钙钛矿立方结构。

本发明中的Mn₃Zn_0.5Ag_0.5N粉体材料，在298 K≤T≤316K，根据平均线热膨胀系数的计算公式α＝ΔL/(LΔT)，ΔL为温度T1和T2间试样长度的变化（T1﹤T2）；L为试样的原始长度；ΔＴ为温度T2和T1间的温度差，其平均线负热膨胀系数为-81×10^-6/K，较已发现的负热膨胀材料的热膨胀系数大一倍左右，如图1所示。

本发明一种具有超大负热膨胀特性的Mn₃Zn_0.5Ag_0.5N粉体材料的制备方法，它包括以下步骤：

（1）称取纯度为99.9%的锰粉以及99.7%的氧化锌粉末，摩尔比为ZnO：Mn=1:3，然后将其放入管式炉中，在流动的高纯氨气（≥99.999%）的气氛下，以10℃/分钟的速率升温至750℃，保温10小时，随炉冷却，合成Mn₃ZnN粉末；