Preparation of negative thermal expansion materials having two shrinkage mechanisms and evaluation of that heat shrinkage mechanism

具有两种收缩机制的负热膨胀材料的制备及其热收缩机制的评价

基本信息

批准号：
21H01618
负责人：
磯部敏宏
金额：
$ 10.4万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度のメカニズムの解明に関する検討を通じて、Zr2SP2O12の熱膨張率はZrサイトを元素置換することでより低下させる（高機能化）させることが可能と結論づけ、Zr2-xMxSP2O12を複数した。今年度は、これらの物質の熱膨張率を測定した。フレームワークモデルで収縮する303~373 Kで最も体積熱膨張率が低かった組成は、M=Y(イットリウム)、x＝0.3であり、その値は約－27.2 ppm/KとZr2SP2O12より約18％低かった。本組成は、453~673 Kでも約－16.2 ppm/KとZr2SP2O12の体積熱膨張率（－14.8 ppm/K）より低かったことから、広い温度域で、高機能化できるとわかった。M=Nb（ニオブ）、x＝0.6も303~373 Kで－23.6 ppm/K、453~673 Kで約－23.3 ppm/Kと同様に高機能化に成功した。一方、イットリウムと同じ3価のAl(アルミニウム)を置換した物質では、あまり熱膨張率に変化が見られなかった。このことから、フレームワークモデルで収縮には、イオン半径が影響すると考えられた。また、これらの元素置換は373~453 Kの相転移にも影響した。これは、Zrイオンが相転移に大きく関与することが示唆された。また、結晶構造解析から熱膨張率の算出はできたものの、それ以外の熱的性質や、電気的性質は未解明である。これらの解明にはZr2SP2O12の焼結体を作製する必要があるが、高温で分解するZr2SP2O12の焼結体の作製は極めて困難である。今年度は、コールドシンタリング法の装置を自作した。その装置を用いて、Zr2SP2O12の緻密化に取り組んだところ、相対密度約90％のZr2SP2O12を得ることに成功した。

通过去年阐明其机理的研究，我们得出结论，通过用元素取代Zr位点可以降低Zr2SP2O12的热膨胀系数（更高的功能性），并创建了多个Zr2-xMxSP2O12。今年，我们测量了这些材料的热膨胀系数。骨架模型中收缩的303~373K体积热膨胀系数最低的成分为M=Y（钇），x=0.3，其值约为-27.2ppm/K，比Zr2SP2O12 较低。即使在453至673 K下，该组合物的体积热膨胀系数也约为-16.2 ppm/K，低于Zr2SP2O12的体积热膨胀系数(-14.8 ppm/K)，表明它可以在一段时间内高度功能化。温度范围宽。 M = Nb（铌），x = 0.6 也成功实现了高功能性，在 303 至 373 K 时为 -23.6 ppm/K，在 453 至 673 K 时约为 -23.3 ppm/K。另一方面，在用与钇相同的三价Al(铝)替代的材料的情况下，热膨胀系数没有显着变化。这表明离子半径影响框架模型中的收缩。此外，这些元素取代也影响 373 到 453 K 之间的相变。这表明Zr离子显着参与相变。此外，虽然热膨胀系数是通过晶体结构分析计算出来的，但其他热性能和电性能尚不清楚。为了阐明这些问题，需要制造Zr 2 SP 2 O 12 烧结体，但是制造Zr 2 SP 2 O 12 烧结体是极其困难的，因为Zr 2 SP 2 O 12 在高温下会分解。今年，我自己制作了冷烧结法设备。利用该设备，他们对Zr2SP2O12进行了致密化，并成功获得了相对密度约为90%的Zr2SP2O12。