具有零膨胀性能反钙钛矿锰氮化物的实验研究和理论分析

Manganese nitrides with rich physical, mechanical properties and abnormal expansion property have become one of the research hot topics, due to the demand for high-precision parts and components in the advanced industry and defense technology field. In this project,.. the relationship among the doping elements - material system - magnetic phase transition - zero thermal expansion performance will be established. through comparative analysis of Sn, Si, Ge doping elements in the Mn3CuN system, Mn3GaN system for abnormal thermal expansion performance, the impact of microscopic theory difference of the same doping elements in different material system and different doping element in the same material system on abnormal thermal expansion performance is proven. The essential characteristics are revealed in materials with zero thermal expansion. The quantitative or semi quantitative relationship between zero thermal expansion property and doping element in Mn3GaN and Mn3CuN manganese nitride materials is determined by analysis of magnetic phase transition and the first principle calculation results of the effects of local structure distortion, local magnetic moment interactions and lattice vibration on abnormal thermal expansion performance. The possibility of obtaining noval zero thermal expansion material is explored. The results of this project provide a theoretical basis for preparing zero thermal expansion materials in single-phase manganese nitrides, which will enrich materials design theory and provide data for gene control of materials.

因尖端工业和国防科技领域对高精密零部件需求，具有丰富物理、力学性能和反常膨胀性能的锰氮化物成为了研究热点。本项目拟建立掺杂元素—材料体系—磁相转变—零膨胀性能之间的内在关系，通过对元素Ge、Sn、Si在Mn3CuN系、Mn3GaN系中掺杂获得反常膨胀性能的材料进行比较分析，探明在同一掺杂元素情况下不同材料体系之间和同一材料体系下不同元素之间微观理论差别对膨胀性能的影响；揭示具有零膨胀性能锰氮化物材料所具有的本质特征，通过磁相变和第一性原理计算的局域结构的畸变、局域磁矩的交换相互作用和晶格振动对膨胀性能的影响的分析，确定在Mn3GaN系和Mn3CuN系锰氮化物中零膨胀性能和掺杂元素之间的定量或半定量关系，探索新元素掺杂和新的材料体系中获得零膨胀性能的可能性。此项目的研究结果为在单相锰氮化物中制备具有零膨胀性能的材料提供理论基础，同时必将丰富材料设计理论，也为材料的基因控制提供数据。

固态材料的“热胀冷缩”性质具有非常广泛的普适性。然而，随周边环境温度的变化，固态材料的这一自然属性，往往引起诸如机械零件受热变形，导致初始设计的零部件间相互作用力失衡，以致机械的整体结构稳定性下降，造成严重安全事故等诸多类似的事件发生。因尖端工业和国防科技领域对高精密零部件需求，具有丰富物理、力学性能和反常膨胀性能的锰氮化物成为了研究热点。本项目通过对元素Ge、Sn、Si在Mn3CuN系、Mn3GaN系中掺杂获得反常膨胀性能的材料进行比较分析，研究了在同一掺杂元素情况下不同材料体系之间和同一材料体系下不同元素之间微观理论差别对膨胀性能的影响，结果表明Ge、Sn元素对Mn3CuN系、Mn3GaN系具有相同的膨胀性能影响趋势，使负热膨胀温区向高温区移动，但是其温度区间由于被掺杂体系不同，温度区间不同以及对温度区间的展宽具有不同的影响趋势；少量的Si元素掺杂则大幅降低材料的负热膨胀性能和使相应的温度区间向低温区移动。通过磁性能分析掺杂元素使Mn3GaN化合物磁性由反铁磁向铁磁转变，其转变与掺杂元素的电子结构和晶格结构密切相关。掺杂元素通过调节晶格结构改变Mn-Mn之间的距离进而影响化合物的磁性转变，既Mn-Mn间距存在一个磁性转变的临界值。不同元素掺杂同一母体锰氮化物第一性原理计算表明掺杂元素的电子结构及含量在态密度图上会影响Es和Ef的相对位置，从而对材料磁性转变的性质产生影响。进行了在N位掺杂C元素的实验，结果表明C元素含量为0.22时，化合物具有宽温区的零膨胀性能，研究了其Mn-Mn间距的临界值和磁性转变的关系。在高效制备具有零热膨胀性能的材料进行了探索，通过微波加热的方式可以大大缩短负热膨胀材料的制备，使制备时间大大缩短至几个小时。此项目的研究结果为在单相锰氮化物中制备具有零膨胀性能的材料提供理论基础，同时必将丰富材料设计理论，也为材料的基因控制提供数据。