固溶體在無機(jī)非金屬材料中的有效運用研究

丁貴杰

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，固溶體在無機(jī)非金屬材料制備和應(yīng)用過程中得到了運用，尤其是催化劑制備中，在工程陶瓷和電子材料中進(jìn)行了運用。文章主要對固溶體進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對固溶體在無機(jī)非金屬材料中的有效運用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：固溶體；無機(jī)非金屬材料；有效運用；催化劑制備；工程陶瓷；電子材料 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TB321 文章編號：1009-2374（2015）01-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0034

隨著時代的不斷發(fā)展，新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用，固溶體在材料制備中的應(yīng)用越來越廣泛，并且借助固溶體理論可以進(jìn)一步指導(dǎo)新材料的開發(fā)與應(yīng)用。在無機(jī)非金屬材料制備中，通過溫度、壓力、雜質(zhì)等方面的控制，可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生一些缺陷，進(jìn)而形成固溶體，改變材料性質(zhì)，開發(fā)新材料?，F(xiàn)階段，固溶體在無機(jī)非金屬材料中的應(yīng)用越來越突出，并且取得了長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 固溶體概述

1.1 定義

固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相，通常以一種化學(xué)物質(zhì)為基體溶有其他物質(zhì)的原子或分子所組成的晶體，在合金和硅酸鹽系統(tǒng)中較多見，在多原子物質(zhì)中亦存在。當(dāng)溶劑的晶體結(jié)構(gòu)添加溶質(zhì)后可以穩(wěn)定存在且保持均相，則該種混合物可以被視作溶液。一些混合物可以在很多種濃度情況下形成固溶體，而有一些混合物根本不能形成固溶體。

1.2 分類

首先，根據(jù)溶質(zhì)原子在晶格中的位置不同，可以將固溶體分為置換固溶體、間隙固溶體。置換固溶體指的就是占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置形成的固溶體。當(dāng)溶劑與溶質(zhì)原子直徑相差較小，在15%以內(nèi)的時候非常容易形成置換固溶體。間隙固溶體指的就是分布在溶劑晶格間隙的固溶體。其溶劑為直徑比較大的過渡金屬，而溶質(zhì)為直徑較小的氫、碳等非金屬。間隙固溶體形成的條件就是：溶劑與溶質(zhì)原子直徑之比小于0.59。其次，根據(jù)固溶度的不同，可以將固溶體分為無限固溶體、有限固溶體。最后，根據(jù)溶劑原子、溶質(zhì)原子的分布不同，可以將固溶體分為有序固溶體、無序固溶體。

1.3 性能

1.3.1 固溶強(qiáng)化。在溶質(zhì)元素含量比較低的情況下，固溶體性能和溶劑金屬性能相似。但是隨著溶質(zhì)元素的不斷增加，會使金屬硬度、強(qiáng)度得到不斷提升，而韌性、塑性不斷下降，此種情況就是固溶強(qiáng)化。置換固溶體、間隙固溶體均會出現(xiàn)固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。合理控制溶質(zhì)含量，可以有效增強(qiáng)固溶體的硬度與強(qiáng)度，并且確保其具有一定的韌性、塑性。由此可以看出，固溶體均具有良好的力學(xué)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍

應(yīng)用。

1.3.2 電性能。隨著溶質(zhì)含量的不斷變化，固溶體電性能會發(fā)生連續(xù)甚至現(xiàn)行變化，但是在相界中一般會發(fā)生突變。比如，PbZrO3、PbTiO3的電性能并不優(yōu)良。PbZrO3為反鐵電體，PbTiO3為鐵電體，其化合物結(jié)構(gòu)類似，Zr4+與Ti4+尺寸相近，能夠產(chǎn)生連續(xù)固溶體。隨著其成份的不斷變化，其晶體結(jié)構(gòu)也存在著一定的差異。PbZrO3–PbTiO3體系的等價置換，可以形成結(jié)構(gòu)完整的固溶體，電場平衡，電導(dǎo)正常，不會改變介

電性。

1.3.3 固溶熱處理。對合金予以加熱，在高溫單相區(qū)中保持恒溫，使剩余相充分速溶并且冷卻，進(jìn)而得到過飽和的固溶體，這就是固溶熱處理工藝。在進(jìn)行處理的時候，主要包括兩種方法：人工時效處理、自然時效處理。在具體操作過程中，可以考慮合金性質(zhì)與用途，確定選用哪種處理方法。

2 固溶體在無機(jī)非金屬材料中的有效運用

2.1 載體運用

在汽車尾氣中，固溶體不僅是一種催化劑，也是一種載體。在CeO2添加一些Zr4+，可以生成CexZr1-xO2，不僅可以對CeO2的本相特征予以調(diào)整，在實際運用，也可以充當(dāng)汽車尾氣的催化劑載體，還可以充當(dāng)汽車尾氣的催化劑助劑；同時，其還具有良好的熱穩(wěn)定性機(jī)貯氧性能，在催化劑領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了人們的研究熱點。原料不僅廉價，還屬于水溶性無機(jī)鹽，在使用載體組分與助劑組分的時候，可以產(chǎn)生固溶體，這樣不僅可以保證載體組分的分布均勻，還可以實現(xiàn)助劑組分的分布均勻。

2.2 催化劑運用

2.2.1 鈰鋯氧化物固溶體。二氧化鈰是一種優(yōu)良催化劑，也是一種催化劑促進(jìn)劑，在汽車尾氣催化劑、水汽變換反應(yīng)、氧氣傳感器、生物陶瓷材料、催化加氫、甲烷氧化偶聯(lián)等反應(yīng)中得到了普遍的應(yīng)用。根據(jù)有關(guān)研究表明，在甲烷催化燃燒中，CeO2-ZrO2固溶體發(fā)揮著催化活性與穩(wěn)定性的作用。

在鈰鋯氧化物固溶體中，因為Ce具備良好的氧化還原性，Ce4+還原為Ce3+的過程中，多余的氧就會氧化甲烷，一般而言，在此過程中，Ce4+與Ce3+是交替生成的，有效避免了氧急劇變化情況的發(fā)生，并且CeO2含量對催化活性具有直接的影響作用。在氧化鈰立方晶格中添加Zr4+，能夠保證CeO2的穩(wěn)定性更高，進(jìn)而在燒結(jié)過程中，不會出現(xiàn)晶粒生長過大的現(xiàn)象。此類固溶體具有良好的貯氧性能、氧化還原性、熱穩(wěn)定性。

2.2.2 SnO2-TiO2固溶體。在TiO2中添加適當(dāng)?shù)腟nO2之后，可以生成固溶體，其結(jié)構(gòu)主要為金紅石，具有弱酸性，表面附著一定的晶格氧、吸附氧。將SnO2、TiO2兩者進(jìn)行充分的混合，因為純相TiO2會被SnO2分解，在一定程度上增加了SnO2-TiO2固溶體的比表面積，從而實現(xiàn)了催化活性的增強(qiáng)。根據(jù)有關(guān)研究表明，Ga-N-ZnO固溶體作為一種新型催化劑，具有光解水、光響應(yīng)的性能，為氫材料制備提供了一個全新的方面。

2.3 對晶格的影響

鈦酸鋁優(yōu)勢較多：其一，具有較強(qiáng)的抗震性；其二，具有良好的隔熱性；其三，具有很高的耐火性。然而在750℃～1300℃之間，鈦酸鋁不僅可以分解為剛玉，還可以分解為金紅石，極大地制約了鈦酸鋁的實踐運用。針對不穩(wěn)定鈦酸鋁來說，可以適當(dāng)添加一些氧化鎂、三氧化二鐵，與鈦酸鋁生成連續(xù)固溶體，穩(wěn)定晶格，抑制鈦酸鋁分解，實現(xiàn)了鈦酸鋁的有效運用。

3 無機(jī)非金屬材料新產(chǎn)品研發(fā)

新型無機(jī)非金屬材料指的就是具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐磨、抗腐、耐高溫、抗氧化以及特殊的電、光、聲、磁等一系列優(yōu)異綜合性能的新型材料，是其他材料難以替代的功能材料和結(jié)構(gòu)材料。例如，稀土摻雜石英玻璃廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星及坦克火控武器等激光測距系統(tǒng)，耐輻照石英玻璃應(yīng)用于各種衛(wèi)星及宇宙飛船的姿控系統(tǒng)；光學(xué)纖維面板和微通道板作為像增強(qiáng)器和微光夜視元件在全天候兵器中得到應(yīng)用；航空玻璃為中國各類軍用飛機(jī)提供了關(guān)鍵部件；二氧化硅氣凝膠是最輕的固體材料，也是導(dǎo)熱系數(shù)最低的材料，被廣泛開發(fā)應(yīng)用于管道、設(shè)備保溫。

4 結(jié)語

總而言之，隨著新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的不斷開發(fā)，固溶體理論得到了廣泛的運用，比如燒結(jié)制備低膨脹材料、利用不同膨脹系數(shù)化合物生成固溶體等。在氧化鋁中適當(dāng)添加一些其他氧化物，可以有效制備各種顏色的寶石制品，通過外界環(huán)境的運用，采取不同添加方式，改變材料結(jié)構(gòu)，提高固溶體的性能，進(jìn)而滿足相關(guān)實際的需求，拓展固溶體的運用范圍。由此可以看出，在社會未來發(fā)展中，固溶體運用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，一定要予以深入研究。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）endprint