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由于其良好的负热膨胀性质,立方ZrW2O8及其各类取代固溶体有着广阔的应用前景。对ZrW2O8的掺杂改性工作具有重要的理论意义和实用价值。制备新型的多元素异价取代的立方ZrW2O8结构类型固溶体,并对其性质、结构进行研究,既可以改善立方ZrW2O8的物理、化学性能,拓宽其应用范围,又可以更好的了解其微观结构与宏观性质之间的关系。
本文采用酸蒸气水热法(ASH)合成了V(Ⅴ)/Mo(Ⅵ)取代的一系列四方相水合物Zr(W1-yMoy)2-xVxO7-x/2(OH)2·2H2O(y=0.1,0.2,0.3,0.4,x≤0.40),对四方相水合前驱物的相行为进行了研究。四方相水合前驱物Zr(W1-yMoy)2-xVxO7-x/2(OH)2·2H2O具有和ZrW2O7(OH)2·2H2O相似的相行为:在升温过程中,首先在约500K的温度附近脱水生成对应的Zr(W1-yMoy)2-xVxO8-x/2正交相,在继续升温的过程中,在约800K附近,正交相转变成相同组成的立方相。其相变温度受到Mo、V掺杂量的影响,在V含量固定的情况下,随着Mo含量的增加,其脱水温度和正交-立方相转变温度都表现出线性降低。在W:Mo比例固定的情况下,随着V元素的增加,虽然脱水温度没有表现出规律变化,但是正交-立方相变温度线性降低。四方相水合前驱物在高温下脱水合成了相应的立方ZrW2O8结构类型的同/异价多元素掺杂固溶体Zr(W1-yMoy)2-xVxO8-x/2(y=0.1,0.2,0.3,0.4,x≤0.40)。以β-ZrW1.8V0.2O7.9的结构为初始模型拟合了立方β相固溶体Zr(W0.9Mo0.1)1.76V0.24O7.88的平均晶体结构,拟合结果表明其具有和β-ZrW1.8V0.2O7.9类似的晶体结构。立方Zr(W1-yMoy)2-xVxO8-x/2(y=0.1,0.2,0.3,0.4,x≤0.40)系列固溶体仍具有和立方ZrW2O8类似的优良负热膨胀性质。当Mo的组成相同时,V元素对Zr(W1-yMoy)2-xVxO7-x/2(OH)2·2H2O(y=0.1,0.2,0.3,0.4)固溶体晶胞参数的影响基本符合Vegard规则,由此我们求得了V元素在Zr(W1-yMoy)2-xVxO7x/2(OH)2·2H2O(y=0.1,0.2,0.3,0.4)系列固溶体中的固溶度:分别为15mol%,13mol%,12mol%和11mol%。V元素对固溶体晶胞参数造成影响的主要因素为半径差和电荷差。晶胞参数的影响因素包括很多方面,包括V、Mo、W之间的离子半径差,电荷差,有序度等。当W:Mo比值一定时,由于V的低价掺杂形成了大量的氧空位,从而使晶胞参数明显减小,其影响占据了主导作用,有序度的影响相对较小,但是当V的含量相同时,W/Mo离子的半径差及有序度都起到了较为重要的作用。通过对实验数据进行拟合,得到了V(Mo)含量固定时,晶胞参数随着Mo(V)含量及有序度参数变化的经验关系式。