專利名稱：一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料及其制備方法，該材料發(fā)
生磁相變后，其電阻率在很寬的溫度范圍隨溫度變化幾乎不變，可用于儀表設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器，測量設(shè)備，高密度電子封裝、高精密電子測量系統(tǒng)和混合電子設(shè)備的電阻器和自動控制裝置，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
大多數(shù)材料的電阻率隨溫度變化而敏感變化。 一般來說，對于金屬，電阻率隨溫度增加而增加，具有正的電阻溫度系數(shù)，而半導(dǎo)體正好相反，具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。這些半導(dǎo)體可與金屬材料復(fù)合得到低(近零)電阻溫度系數(shù)。如二氧化釕(Ru02)與金屬復(fù)合得到的新合金，具有較低電阻溫度系數(shù)(TCR)。低(近零)電阻溫度系數(shù)材料具有廣泛的應(yīng)用，如用于高精密電子測量系統(tǒng)和混合電子設(shè)備的電阻器和自動化設(shè)備中的溫度傳感器。1884年英國韋斯頓(E.Weslon)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)稱為錳白銅或錳銅、電阻溫度系數(shù)很低的電阻合金，并于1892年制成標(biāo)準(zhǔn)電阻器。此后，各國開發(fā)了適應(yīng)不同要求的多種精密電阻合金系列。目前，此類材料主要是通過組合正負(fù)電阻溫度系數(shù)材料復(fù)合得到的，制作工藝復(fù)雜，成本高。而且這些材料存在內(nèi)應(yīng)力匹配及差的熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性的問題。 分子式為Mn3XN的三元錳氮化合物{X為鎵(Ga)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)或錫(Sn)等}具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Mn原子位于立方晶胞的面心，X原子位于頂角位置，N原子位于體心位置，因此人們又稱其為反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。該化合物的晶體結(jié)構(gòu)盡管簡單，但是在電阻、磁性和晶體結(jié)構(gòu)等方面具有許多特殊相變，并具有很多優(yōu)異的性能，已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。 隨著溫度的升高，此類材料會發(fā)生磁轉(zhuǎn)變，并伴隨有大的晶格收縮現(xiàn)象。。實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳鎳氮三元化合物(Mn3NiN)在磁相變發(fā)生以后電阻率隨溫度升高在很寬的溫度范圍幾乎不變。此材料由單一物質(zhì)構(gòu)成，各向同性，制作工藝簡單，熱、化學(xué)性能穩(wěn)定，而且具有可與金屬相匹敵的機械強度，因此具有良好的市場應(yīng)用前景。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料及其制備方法。該材料發(fā)生磁相變后，其電阻率在很寬的溫度范圍隨溫度變化幾乎不變，可用于儀表設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器、測量設(shè)備、高精密電子測量系統(tǒng)和混合電子設(shè)備的電阻器和自動化設(shè)備中的溫度傳感器等。 本發(fā)明一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料，該材料分子式為Mn3NiN，由Mn，Ni，N三種元素組成，其原子配比為Mn : Ni : N = 3 : 1 : l，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明實現(xiàn)了在單一物質(zhì)中獲得低電阻溫度系數(shù)，并且具有較低電阻率，即良好的導(dǎo)電性。
反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Mr^NiN在250K以上電阻率隨溫度變化幾乎不變，如圖1所示。通過估算得到其電阻溫度系數(shù)P?！p/dT)值為1.23X10—4/K(250K< T < 330K)， dp/dT值為7. 17X10—8 Q cm/K。 本發(fā)明提出的具有低電阻溫度系數(shù)的材料，使用溫度范圍從250K直到室溫以上。
由圖1也可看出，電阻率隨溫度變化的升降溫曲線基本吻合。說明此材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性、可逆性很好。 另外，此材料在220K 240K溫區(qū)內(nèi)具有大的負(fù)熱膨脹現(xiàn)象，如圖2所示。在上述溫區(qū)內(nèi)，其負(fù)熱膨脹系數(shù)為_7. 46 X 10—5/K. 本發(fā)明一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料的制備方法，它是應(yīng)用固相合成技術(shù)，并應(yīng)用自制的Mr^N和Ni粉在一定的溫度和真空條件下進(jìn)行合成，其方法的具體步驟如下 (1)按預(yù)定計劃的要求稱取預(yù)定量的錳粉(純度為99.9%)，然后將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進(jìn)行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至30(TC;再以l(TC /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關(guān)閉電源，隨爐冷卻，合成氮化錳(Mn2N); (2)按照摩爾比Mri2N : Ni = 3 : 2的比例，稱取一定量的氮化錳和鎳粉(純度
99. 9% )，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上； (3)使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀； (4)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中并同時迅速接上抽真空系統(tǒng)，抽真空至10—spa，然后封閉石英管； (5)將封閉好的石英管放進(jìn)高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫
度下保溫72小時，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫； (6)將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3NiN。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點 由單一物質(zhì)構(gòu)成，各向同性，制作工藝簡單，熱、化學(xué)性能穩(wěn)定，具有可與金屬相匹敵的機械強度?，F(xiàn)有報道的單相低電阻溫度系數(shù)材料，例如Mri3CuN是通過本身高電阻率獲得的，而本發(fā)明涉及的Mn3NiN單相固體材料不但具有低電阻溫度系數(shù)，而且具有較低電阻率。
(四)


圖1為Mn3NiN電阻率隨溫度變化曲線。
圖2為Mn3NiN晶胞常數(shù)隨溫度變化曲線。
(五)
具體實施例方式
本發(fā)明一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料，該材料分子式為Mn3NiN，由Mn，Ni，N三種元素組成，其原子配比為Mn : Ni : N = 3 : 1 : l，其晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料的制備方法，它是應(yīng)用固相合成技術(shù)，并應(yīng)用自制的Mr^N和Ni粉在一定的溫度和真空條件下進(jìn)行合成，其方法的具體步驟如下 (1)稱取一定量的錳粉(純度為99. 9% )，然后將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進(jìn)行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至30(TC;再以10°C /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關(guān)閉電源，隨爐冷卻，合成氮化錳(Mn2N);
(2)按照摩爾比M化N : Ni = 3 : 2的比例，稱取一定量的氮化錳和鎳粉(純度99. 9% )，總量在10g左右，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上；
(3)使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀； (4)將壓制成片狀的樣品裝入石英管中并同時迅速接上抽真空系統(tǒng)，抽真空至10—spa，然后封閉石英管； (5)將封閉好的石英管放進(jìn)高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫
度下保溫72小時，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫； (6)將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3NiN。
權(quán)利要求
一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料，其特征在于該材料在250K以上電阻率隨溫度變化幾乎不變，分子式為Mn3NiN，由Mn，Ni，N三種元素組成，其原子配比為Mn∶Ni∶N＝3∶1∶1；該材料晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料的制備方法，其特征在于它是應(yīng)用固相合成技術(shù)，并應(yīng)用自制的M&N和Ni粉在預(yù)定的溫度和真空條件下進(jìn)行合成，其方法的具體步驟如下(1) 按預(yù)定計劃的要求稱取純度為99.9%的錳粉，然后將其放入管式氮化爐中，在純度為99. 99%的流動氮氣的氣氛下進(jìn)行熱處理，首先以5°C /分鐘的速率從室溫升至300°C;再以l(TC /分鐘的速率升溫至75(TC，保溫50小時；關(guān)閉電源，隨爐冷卻，合成氮化錳即Mn2N ;(2) 按照摩爾比M化N : Ni = 3 : 2的比例，稱取純度為99.9%的氮化錳和鎳粉，將其在瑪瑙研缽中混合均勻，研磨1小時以上；(3) 使用壓片機對粉末施以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀；(4) 將壓制成片狀的樣品裝入石英管中并同時迅速接上抽真空系統(tǒng)，抽真空至10—5Pa，然后封閉石英管；(5) 將封閉好的石英管放進(jìn)高溫爐中，以每分鐘l(TC的速率升溫至80(TC，在此溫度下保溫72小時，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫；(6) 將石英管敲碎，取出樣品，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3NiN。
全文摘要
一種具有低電阻溫度系數(shù)的反鈣鈦礦類材料，該材料在250K以上電阻率隨溫度變化幾乎不變，分子式為Mn3NiN，由Mn，Ni，N三種元素組成，其原子配比為Mn∶Ni∶N＝3∶1∶1，晶體結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦立方結(jié)構(gòu)；其制備步驟如下(1)稱取預(yù)定量的錳粉放入管式氮化爐中，在高純氮氣氛下，從室溫升至300℃；再以10℃/分鐘的速率升溫至750℃，保溫50小時，合成Mn2N；(2)按照摩爾比Mn2N∶Ni＝3∶2的比例，稱取氮化錳和鎳粉，將其混合均勻，研磨1小時以上；(3)以20MPa的壓力，將粉末壓成片狀；(4)將片狀樣品裝入石英管中并抽真空至10-5Pa，然后封閉石英管；(5)將石英管放進(jìn)高溫爐中，以每分鐘10℃的速率升溫至800℃，保溫72小時，關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物Mn3NiN。
文檔編號C01G53/00GK101734731SQ20091024269
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者孫瑩, 溫永春, 王聰, 聶曼, 褚立華 申請人:北京航空航天大學(xué)