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激光烧结合成ZrW_2O_8陶瓷及其性能研究

吴天安  
【摘要】: 负膨胀材料在开发具有低膨胀或零膨胀的复合材料方面有着重要的作用,钨酸锆陶瓷是十分优良的各向同性负膨胀材料,不仅有着大的负热膨胀系数,还有着宽的温度响应区间(0.3-1050K),因此成为现在研究的热点。可是到目前为止,ZrW_2O_8的合成方法不是过程繁琐,就是对工艺要求苛刻,它们都不适合大规模的工业化生产,因此迫切需求开发一种新的合成方法。 本文采用高能CO_2激光器首次成功的合成了钨酸锆陶瓷,这是一种十分快速的合成方法,数十克的样品在几秒钟内就可以被合成。利用XRD、拉曼光谱和扫描电镜等分析手段对样品进行了系统的分析,研究发现:激光合成的样品与固相法及其它化学方法合成的样品相比,样品中有γ-ZrW_2O_8的生成,这暗示样品在凝固的过程中有压应力的产生。样品中的压应力与冷却速率成正比,而冷却速率与从熔池温度到周围环境温度的温度差成正比,与冷却时间成反比。因此我们可以确认降低扫描速度可以有效地减小压应力的大小。当扫描速度小于2mm/s时,ZrW_2O_8样品主要以立方结构存在。而对水冷却的样品,样品主要以α-ZrW_2O_8存在,样品中γ相同样随扫描速度的降低而减少。同时尝试通过搀杂Mo来避免样品中γ相的产生,在原料中加入少量的MoO_3,从而在反应的过程中使一部分W的位置被Mo取代。结果成功的抑制了样品中γ相的出现,这可能由于提高了样品的抗压能力。通过对在空气中冷却的致密块状样品的变温拉曼光谱分析,我们发现在温度为390K时,拉曼谱带发生不连续变化,表明在此温度发生了相变,样品由γ相转变成α相。而α相向β相转变时,没有发现拉曼光谱的变化。在β相中,大部分拉曼模式能够产生负的格临爱森常数,表明至少在β相中光学声子对材料的负热膨胀系数有贡献。当样品被冷却到室温时,又发现了γ相的恢复,这表明在温度高于390K时,立方相仅仅是个亚稳相,而在室温γ相更稳定。通过扫描电镜的观察,在样品的表面和横截面样品都是有纳米结构构成,纳米线和纳米棒在样品的表面区域平行的生长,而在样品的横截面它们垂直于样品的表面排列。这些纳米线是由纳米晶构成。


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