一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金及制备方法

技术领域

本发明属于相变合金制备领域，尤其涉及一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金及制备方法。

背景技术

大多数物质随温度变化表现出热胀冷缩的性质，然而由于热膨胀带来的尺寸变化和热应力将大大缩短材料的使用寿命和应用范围。在许多精密仪器，如航空航天(在太空中航天器表面材料的阴面和阳面温差很大，具有很大的热应力)、电子设备(多层陶瓷电容器失效的主要原因就是Si芯片产生的热量导致电容器与周围材料的热膨胀不匹配)。因此开发新型的零膨胀(ZTE)材料(随温度变化其本身尺寸不发生任何变化的材料)对实际应用至关重要，且对揭示其内在的机制也有着重大的科学意义。实现材料零膨胀的途径通常来说分为两大类：(1)通过化学修饰，如改变化学组成，调节材料的热膨胀系数(CTE)由正到零或负，如因瓦合金(Fe-36Ni)；(2)通过将负热膨胀材料与正热膨胀材料混合形成复合材料，如双相合金(Er-Fe-V-Mo)和包覆材料(La(Fe,Si)

发明内容

本发明开了一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金制备方法，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金，所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的原子百分比表达式为Hf

进一步，所述零膨胀合金相属于六方晶系，其中Hf、Ti分布在4f位，Fe分布在2a和6h位，过量的Fe占据Hf/Ti位。

进一步，所述零膨胀合金的微结构表现为周期性富-Hf、富-Ti区域交替，宏观上表现为宽温区零膨胀。

进一步，所述富-Hf区域表现为正膨胀，富Ti区域表现为负膨胀，周期性的成分梯度变化伴随着连续的正负热膨胀耦合。

进一步，所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的原子百分比表达式为Hf

本发明的另一目提供一种制备具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)准备高纯原料Hf、Ti和Fe；

S2)将S1)中的三种原料按化学计量比称取后混合；

S3)通过电弧炉将混合后的原料在惰性气体中熔炼多次至均匀；

S4)将熔炼均匀的样品打磨光亮后置于保护气氛中保存后退火，退火结束后，获得具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金。

进一步，所述S1)中原料纯度需≥99.95％。

进一步，所述S4)中的保护气氛为真空或惰性气体，所述惰性气体为氩气。

进一步，所述S4)中的退火的温度为800-1200℃，退火时间3-10d。

进一步，所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金在100～500K温度区间内表现零膨胀特性，线膨胀系数α

与现有技术相比，本发明所述的高性能零膨胀金属间化合物能在包括室温的宽温区内保持形状和尺寸的近似一致；

与现有的热膨胀调控机制相比，本发明发现了一种调控热膨胀的新方法，从微结构出发，发现通过周期性的热膨胀连续波动可以实现宏观的零膨胀调控。对新型热膨胀材料的发现以及新型热膨胀调控机制的发展具有一定指导意义。

附图说明

图1是本发明所述的零膨胀金属间化合物Hf

图2是本发明所述的宽温区零膨胀组分Hf

图3是本发明所述金属间化合物Hf

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明提供了一种高性能零膨胀金属间化合物，能在包括室温的宽温区(100-500K)内保持形状和尺寸的近似一致，且无织构，具有各向同性的优异零膨胀性能；与现有的热膨胀调控机制相比，本发明发现了一种调控热膨胀的新方法，从微结构出发，发现通过周期性的热膨胀连续波动可以实现宏观的零膨胀调控。对新型热膨胀材料的发现以及新型热膨胀调控机制的发展具有一定指导意义。

本发明一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金，所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的原子百分比表达式为Hf

所述零膨胀合金相属于六方晶系，其中Hf和Ti分布在六方晶系的4f位，Fe分布在六方晶系的2a和6h位，过量的Fe占据Hf/Ti位。

2a(0,0,0,)4f(1/3,1/3,1/3).

所述零膨胀合金的微结构表现为周期性富-Hf、富-Ti区域交替，宏观上表现为宽温区零膨胀。

所述富-Hf区域表现为正膨胀，富Ti区域表现为负膨胀，周期性的成分梯度变化伴随着连续的正负热膨胀耦合。

所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的原子百分比表达式为Hf

一种制备具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)准备高纯原料Hf、Ti和Fe；

S2)将S1)中的三种原料按化学计量比称取后混合；

S3)通过电弧炉将混合后的原料在惰性气体中熔炼多次至均匀；

S4)将熔炼均匀的样品打磨光亮后置于保护气氛中保存后退火，退火结束后，获得具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金。

所述S1)中原料纯度需≥99.95％。

所述S4)中的保护气氛为真空或惰性气体，所述惰性气体为氩气。

所述S4)中的退火的温度为800-1200℃，退火时间3-7d。

所述具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金在100～500K温度区间内表现零膨胀特性，线膨胀系数α

实施例1：

制备本发明所述的标准化学计量成分为Hf

0.6×Hf+0.4×Fe+2.0×Fe＝Hf

具体操作按下列步骤进行：

称取摩尔比分别为0.6:0.4:2.0的Hf、Ti、Fe原料5g。原料置于电弧炉中，将炉体抽真空(真空度<2.0×10

实施例2

制备本发明所述的非化学计量比成分为Hf

0.6×Hf+0.4×Fe+2.5×Fe＝Hf

具体操作按下列步骤进行：

称取摩尔比分别为0.6:0.4:2.5的Hf、Ti、Fe原料5g。原料置于电弧炉中，将炉体抽真空(真空度<2.0×10

对实施例2所得到的非化学计量零膨胀材料Hf

图1是本发明所述的零膨胀金属间化合物Hf

图2是本发明所述的宽温区零膨胀组分Hf

图3是本发明所述金属间化合物Hf

实施例3：

制备本发明所述的非化学计量比成分为Hf

0.6×Hf+0.4×Fe+2.2×Fe＝Hf

具体操作按下列步骤进行：

称取摩尔比分别为0.6:0.4:2.2的Hf、Ti、Fe原料5g。原料置于电弧炉中，将炉体抽真空(真空度<2.0×10

以上对本申请实施例所提供的一种具有反常成分波动的宽温区零膨胀合金及制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。