镧系-钨（钼）氧化物固溶体的中子衍射研究

本项目采用传统的固态烧结方法合成镧系-钨（钼）氧化物固溶体，对体系中的稀土和钨（钼）元素分别进行功能性替代，主要借助于中子和X射线粉末衍射技术及其配套的样品环境设备，研究不同位置上的元素替代对固溶体晶体结构以及热膨胀性能的影响，通过Rietveld方法分析元素替代前后晶体结构中原子位置、占位率、键长、键角等的变化情况，揭示替代对不同晶体结构及热膨胀性能的影响规律，探讨微观结构与宏观性能的内在联系。本项目所选研究体系不仅可充分体现中子衍射的优势，而且可为合成可控热膨胀系数材料奠定理论基础，同时也可促进中子衍射及其方法在化学、物理、及材料等学科的交叉融合，有着重要的学术意义。

近几年，A2M3O12型化合物引起材料科学家们的广泛关注，因为此类化合物具有特殊的负热膨胀性能。研究发现此类化合物的热膨胀大小与阳离子的尺寸有关。A3+的存在范围很广，从0.67Å的Al3+到1.075Å的Gd3+，可以被其它的稀土元素(B3+)部分取代形成A2-xBxM3O12固溶体。或者进行M元素的分子内替代，生成A2W3-xMoxO12系列固溶体，其中A主要为镧系稀土元素。由此想到，通过改变稀土元素B的种类和含量来调节固溶体A2-xBxM3O12的热膨胀系数；通过改变W和Mo的含量来调节固溶体A2W3-xMoxO12的热膨胀系数。这给合成可控热膨胀系数材料提供了一条可能的途径，特别是为合成那种热膨胀系数不随温度变化的零热膨胀材料。这种材料在很多光学和电子学领域都有广泛应用，并且对材料的热膨胀要求比较严格。.本项目采用传统的固态烧结方法合成镧系-钨（钼）氧化物固溶体R2W3-xMoxO12（R=Lu、Er、Tm、In、Sc）和A2-xMxMo3O12(A=Sc、In、Lu；M=Cr、Fe、Al)，借助于X射线粉末衍射技术及其配套的样品环境设备对固溶体进行研究，通过采用Rietveld方法研究发现对母体化合物中稀土和钨（钼）元素分别进行功能性替代，可以调控固溶体的热膨胀系数，并得到在特定温度范围内的低热甚至近零膨胀材料。通过分析元素替代前后晶体结构中原子位置、占位率、键长、键角等的变化情况，得出固溶体负热膨胀性能出现的机理是由于晶体结构中桥氧原子的横向热振动强弱影响多面体的刚性，从而影响材料的热膨胀性能。本项目研究结果对制备低热及零热膨胀材料具有重要的指导意义，研究方法对热膨胀类材料微观结构与宏观性能关系，具有重要的学术价值。