固溶體在無機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行了運用。文章主要對固溶體進行分析，在此基礎(chǔ)上，對固溶體在無機非金屬材料中的有效運用進行了研究。

關(guān)鍵詞：固溶體；無機非金屬材料；有效運用；催化劑制備；工程陶瓷；電子材料 文獻標識碼：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一步指導(dǎo)新材料的開發(fā)與應(yīng)用。在無機非金屬材料制備中，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，進而形成固溶體，改變材料性質(zhì)，開發(fā)新材料。現(xiàn)階段，固溶體在無機非金屬材料中的應(yīng)用越來越突出，并且取得了長遠發(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化。置換固溶體、間隙固溶體均會出現(xiàn)固溶強化現(xiàn)象。合理控制溶質(zhì)含量，可以有效增強固溶體的硬度與強度，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，進而得到過飽和的固溶體，這就是固溶熱處理工藝。在進行處理的時候，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，也可以充當汽車尾氣的催化劑載體，還可以充當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?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。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 無機非金屬材料新產(chǎn)品研發(fā)

新型無機非金屬材料指的就是具有高強、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