The A2Mo3O12 family, where A3+ is a large trivalent cation, can show interesting thermal properties such as negative thermal expansion, also known as thermomiotic behavior, where the overall volume of the material contracts with increasing temperature. A selection of compounds in this family, namely HfMgMo3O12, In2Mo3O12, Y2Mo3O12, Al2Mo3O12, In(HfMg)0.5Mo3O12, and In1.5(HfMg)0.25Mo3O12, have been synthesized using solid-state and mechanical activation techniques as well as a simplified sol-gel approach (Al2Mo3O12). Coefficients of thermal expansion were found to range from large-negative to low-positive in the orthorhombic phase, including near-zero in In(HfMg)0.5Mo3O12 and In1.5(HfMg)0.25Mo3O12. This set of materials provided insight into the role of low-frequency phonon modes in open-framework materials. Low-temperature heat capacity and thermal conductivity measurements confirmed that low-frequency modes were active in thermomiotic materials, and also present to some extent in all members of the open-framework A2Mo3O12 family examined. A clear correlation exists between the magnitude and sign of the coefficient of thermal expansion in the orthorhombic phase and the contribution of low-energy modes to the low-temperature heat capacity, with negative thermal expansion materials having a larger contribution. The low-frequency phonon modes result in low thermal conductivity and reduced phonon mean free paths when compared to conventional ceramics and indicate that these low values are characteristic of open-framework materials in NTE families even if the materials in the families are not thermomiotic themselves.

[pt] Cerâmicas termomióticas vem despertando interesse devido a sua propriedade de apresentar, sob aquecimento, uma expansão térmica baixa, próxima a zero ou negativa. Essa propriedade é proveniente de uma vibração transversal do ânion, que resulta numa aproximação de átomos em determinadas direções. A família A2M3O12 (A = um cátion trivalente e M = Mo6 positivo ou W6 positivo) apresenta uma transição de fase de monoclínica para ortorrômbica, sendo somente a fase ortorrômbica que apresenta o comportamento termomiótico. Essa família, especificamente, vem sendo bastante pesquisada, pois possui a vantagem de permitir uma vasta flexibilidade química, sem mudar de estrutura cristalina e por consequência, permitir ajustes no coeficiente de expansão térmica de acordo com a aplicação a qual o material se destina. A expansão térmica próxima à zero pode levar a uma promissora alta resistência ao choque térmico. Esse trabalho teve como objetivo, estudar as propriedades térmicas e mecânicas do Al2W3O12 que possui baixa expansão térmica positiva com o objetivo de determinar sua resistência ao choque térmico pela figura de mérito de Hasselman. Para isso, todas as suas propriedades térmicas (expansão térmica e condutividade) e mecânicas (módulo de elasticidade e resistência mecânica) foram obtidas experimentalmente apresentando um valor promissor de 120K (comparável ao da safira) para resistência ao choque térmico pela figura de mérito de Hasselman sob condições severas de aquecimento. A partir desse resultado foi desenvolvido uma segunda pesquisa com o objetivo de refinar a microestrutura e aumentar a densidade relativa da cerâmica maciça do Al2W3O12 e assim incrementar suas propriedades mecânicas. Uma síntese por co-precipitação, seguida de uma prensagem isostática e uma sinterização desenvolvida em três etapas foram implementadas, obtendo-se um aumento de 91 porcento para 96 porcento na densidade relativa, com aumento de 19 porcento no módulo de elasticidade e de 35 porcento na dureza vickers se comparados aos resultados obtidos pela amostra sinterizada anteriormente pelo método convencional de sinterização em uma etapa. No terceiro estágio desta tese foi estudada a expansão térmica de uma novo material (In0,5(ZrMg)0,75Mo3O12) com promissora expansão térmica próxima a zero (10-7 K-1), a partir do cálculo da regra das misturas. O material foi sintetizado por evaportação total.e seu coeficiente de expansão térmica intrínseco determinado in situ por difração de Raios-X foi de 1,6x10-7 K-1 na faixa de temperatura de 100 a 500 graus Celsius, enquanto o coeficiente de expansão térmica maciço, medido por dilatometria, foi de 6,68 x 10-7 K-1, na faixa de temperatura de 100 a 800 graus Celsius. Esse material apresenta uma transição de fase de monoclínica para ortorrômbica na temperatura de 82 graus Celsius o que limita seu uso como material termomiótico em temperaturas abaixo de 100 graus Celsius. / [en] Thermomiotic ceramics have been arousing interest due to their property of presenting a low, near or zero thermal expansion under hearing. This property comes from a transverse vibration of the anion, which results in an approximation of atoms in certain crystallographic axes. The A2M3O12 family (A = a trivalent cation and M = Mo6 positive or W6 positive) presents a phase transition from monoclinic to orthorhombic, with only the orthorhombic phase exhibiting thermomiotic behavior. This family is widely researched since it has the advantage of allowing a wide chemical flexibility without changing the crystalline structure and consequently allowing adjustments in the coefficient of thermal expansion according to the application, which the material is intended. Thermal expansion close to zero can lead to a promising high thermal shock resistance. This work aimed to study the thermal and mechanical properties of Al2W3O12 that has low thermal expansion with the goal of determining its thermal shock resistance by the Hasselman figure of merit. For this, all its thermal properties (thermal expansion and conductivity) and mechanical (Young modulus and mechanical strength) were obtained experimentally and presented a promising value of 120K (comparable to sapphire) for thermal shock resistance by the figure of merit of Hasselman under severe heating. A second research was developed with the goal of refining the microstructure and increasing the relative density of the Al2W3O12 bulk ceramics and thus increasing its mechanical properties. A synthesis by co-precipitation, folled by an isostatic pressing and a three steps sintering were carried out, obtaining an increase of 91 percent to 96 percent in the relative density, with increase of 19 percent in modulus of elasticity and 35 percent in Vickers hardness when compared to conventional sintering. The thermal expansion of a new material (In0,5(ZrMg)0,75Mo3O12) with promising thermal expansion close to zero (10-7 K1), calculated by mixing rule was studied in the third chapter of this thesis. The material was synthesized by total evaporation. Its intrinsic thermal expansion coefficient was determined in situ by X-ray diffraction and presented a value of 1.6x10-7 K-1 in the temperature range of 100 to 500 Celsius degrees, while the coefficient of expansion of the bulk obtained by dilatometry, was 6.68 x 10-7 K-1, in the temperature range of 100 to 800 Celsius degrees. This material presents a phase transition from monoclinic to orthorhombic at 82 Celsius degrees, which limits its use as thermomiothic material at temperatures above 100 Celsius degrees.