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随着材料科学的发展,负热膨胀材料在低温工程和航空航天领域的作用越来越大,而锰氮化合物负热膨胀材料因其优越的负热膨胀性能成为当前负热膨胀材料研究的热点之一。本课题采用元素掺杂制备了锰氮化合物负热膨胀材料,并对其负热膨胀性能进行了测试。通过对材料的磁性能研究,讨论了这类材料的负热膨胀机理。
本文选取锗粉、锰粉、铜粉、锡粉、锌粉和氮气为主要原料,通过研磨加常压烧结合成了Mn3(Zn1-xGex)N、Mn3(Cu1-xGex)N、Mn3(Zn1-xSnx)N和Mn3(Cu1-xSnx)N四组样品。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析了样品的物相和表面形貌,采用热机械分析仪(TMA)和SQUID超导量子干涉磁强计系统地分析了材料的负热膨胀性能和磁性能。同时,采用变温XRD和Rietveld结构精修对部分材料的晶胞参数和晶体结构进行了分析。
研究结果表明,发现在样品Mn3(Zn1-xGex)N中,随着Ge元素的增加,Mn3Zn1-xGexN的负热膨胀温区变得越来越多,但是温区的大小并没有随着Ge元素的增加而变宽。在样品Mn3(Cu1-xGex)N中,其晶体结构与Mn3CuN一致,均为反钙钛矿结构。用变温X射线衍射和热机械分析仪分别测得立方Mn3(Cu0.5Ge0.5)N样品的本征热膨胀系数和宏观热膨胀系数,发现相差不大。在Mn3(Zn1-xSnx)N中,随着Sn元素的增加,Mn3(Zn1-xSnx)N材料的负热膨胀温区向低温区运动,且负热膨胀系数和温区相应变大。用Sn元素部分取代Cu元素得到一组样品,化学式为Mn3(Cu1-xSnx)N,其也为反钙钛矿结构。通过对Mn3(Cu0.5Ge0.5)N和Mn3(Cu0.5Sn0.5)N的变温XRD研究发现,随着温度的变化,衍射峰只是发生角度上的偏移,晶体结构并没有发生变化。
对材料进行了磁性能测试,发现Mn3(Cu1-xGex)N在负热膨胀温区内会发生磁相变,并且磁相变的类型随Ge含量的变化而变化。Mn3(Cu1-xSnx)N在负热膨胀温区内,磁化率随着温度的降低而增大,发生典型的顺磁-反铁磁转变。在负热膨胀温区,样品Mn3(Zn1-xSnx)N的磁化率倒数-温度近似于线性关系,样品表现为顺磁性,但是随着温度的降低,发生了顺磁-反铁磁转变。Mn3(Zn1-xSnx)N、Mn3(Cu1-xGex)N和Mn3(Cu1-xSnx)N三组样品的负热膨胀性能均与磁相变有关,都发生了顺磁.反铁磁转变。