無機非金屬材料中固溶體的應用分析

王琦

摘要：近年來我國科學技術的進步帶動了新材料和新技術的發展，這也使固溶物在非金屬材料中應用十分廣泛，而且具有非常好的發展前景。在工程陶瓷等非技術材料制備過程中，固溶物作為催化劑，可以有效的提高非金屬材料的性能和產量。在進行非金屬制備過程中，通過摻入相應的固溶物后，可以改變無機材料的性質，使生產出來的新型材料具有更好的性能。因此在當前無機非金屬材料制備中固溶體的應用變得越發重要。文中從固溶體概述入手，并進一步對無機非金屬材料中固溶體的應用進行了具體的闡述。

關鍵詞：固溶體；無機非金屬材料；性能；應用

當前一些新技術和新材料在各個領域開始廣泛應用，這為新材料工業的發展帶來了良好的發展機遇。在新材料應用過程中，固溶體的應用和研究力度不斷加大，特別是近年來固溶體在無機非金屬材料中的應用，以此來改變非金屬材料的性能，使新產品具有全新的特性和優異的綜合性能，增強其實用性。

1 固溶體概述

固溶體通常情況下都是以一種化學物質作為基體，將其他物質的原子或是分子溶入溶劑晶格中所組成的晶體，并保持溶劑類型的合金相，多見于合金或是硅酸鹽系統中，也存在于多原子物質中。在實際操作過程中，一些混合物能夠在多種濃度情況下形成固溶體，但部分混合物根本無法形成固溶體。在對固溶體進行分類過程中，可以以溶質原子在晶體中的位置來劃分為置換固溶體、間隙固溶體。當溶質原子占據溶劑晶體結點位置時形成的固溶體為置換固溶體，置換固溶體溶劑和溶質原子直接相差較小。當溶質原子分布在溶劑晶格間隙位置時，即為間隙固溶體，其溶劑為直徑較大的過渡金屬，溶質為直徑較小的氫、碳等非金屬，溶劑與溶質原子直徑比例小于0.59，從而形成間隙固溶體。另外，固溶體由于固溶度的不同還可以分為無限固溶體和有限固溶體；溶劑原子和溶質原子分布不同還可以將固溶體分為有序固溶體和無序固溶體。固溶體具有固溶強化、電性能和固溶熱處理等性能。當溶質元素含量較低時，固溶體性能和溶劑金屬性能十分相似，當溶質元素不斷增加時，會提高金屬硬度和強度，但韌性和塑性會呈現出下降趨勢。因此要合理對溶質含量進行控制，以此來增強固溶體的強度和硬度，使其保持良好的韌性和塑性。當溶質含量不斷變化時，固溶體電性能也會隨之發生變化，但是在相界中一般會有突變發生，使固溶體達不到優良的電性能。固溶熱處理的方法有人工時效處理和自然時效處理，在具體操作時要針以合金性質和用途來選擇適宜的處理方法，即要通過加熱合金，保持高溫單相區的恒溫，充分速溶剩余相并使其冷卻，從而獲得過飽和的固溶化。

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的本相特征予以調整，在實際運用中，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定性機貯氧性能，在催化劑領域中得到了廣泛的應用，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，還可以實現助劑組分的分布均勻。

2.2固溶體作為催化劑

通過將二氧化鈰和二氧化鋯進行固溶，可以得到一種新的鈰鋯氧化物固溶體。這其中二氧化鈰作為性能較好的催化劑，在生物陶瓷材料制備及生產燃料電池的電極過程中用作催化劑具有較好的效果。將兩者結合于一體的固溶體，其具備了鈰的氧化還原性質，二氧化鈰會對鈰鋯氧化物固溶體的催化活性帶來直接的影響。因此在生物陶瓷制備中加入鈰鋯氧化物的固溶體后，可以將四價鋯引入到立方的晶格中，并在燒結過程中起到催化作用，從而使生產出來的生物陶瓷具有較好的質量和性能。

在Mn-Ce-O的復合氧化物中，摻入一些銅粉，形成新的復合氧化物的固溶體，同樣可以在催化作用中增強其催化的作用，這是由于在合氧化物Cu.Mn—Ce—O三元固溶體中，二價的Cu2+和Mn3+進入到CeO2的晶格中去，使其形成螢石型結構的三元固溶體，這樣的催化劑在催化無機非金屬材料過程中，提高了氧的活性和吸附能力，提高了固溶體中銅和錳的分散和結合的速度，在無機非金屬中會加快化合物表面物質的還原，將催化活性能降到最低，使得生產過程中，無機非金屬材料耗能少，降低了成本。

還有一種固溶體是將TiO2中將SnO2摻雜進去形成SnO2-TiO2固溶體，主要的結構為金紅石，形成的固溶物由于酸性弱，在固溶物的表面會出現含有吸附氧，在晶格中出現晶格氧。在非金屬材料的制備中，TiO2會在反應中被SnO2反應分解，將SnO2-TiO2固溶體的比表面積增大到一定程度，將SnO2-TiO2固溶體的催化活性提升，在寬帶隙半導體的制備中能連續反應，催化活性很高。

2.3固溶體對晶格的影響

在一種發現的鈦酸鋁固溶體，經過研究和實驗，發現鈦酸鋁具有耐火性、隔熱性以及抗震性等一系列優良特點，但是在實際的應用中，發現鈦酸鋁在高溫時，只要溫度超過800℃時，就會被分解，在1300℃以下會被分解成金紅石和剛玉，這就會讓鈦酸鋁的催化性能降低，不穩定的鈦酸鋁，要想保證其穩定性，通常會加入一些Fe2O3和MgO，使得鈦酸鋁形成穩定一點的晶格，有效地抑制鈦酸鋁固溶體的分解。在無機非金屬材料的制備中，鈦酸鋁固溶物的使用會使得生產的非金屬材料壓電性穩定、介電常數能夠大幅的提升。因此在實際的應用中，鈦酸鋁固溶體廣泛的應用到無機非金屬材料的制備中。

2.4固溶體在新型陶瓷中的應用

目前一種新型的鈦硅碳系列陶瓷得以面世，其具有較高的強度、抗壓、抗震和抗氧化性能十分優良。在這類新型陶瓷制備過程中，利用氧化鋯固溶體，其在高溫下結構不變，因此在陶瓷制備過程中，氧化鋯固溶體處于立方相結構時具有較為穩定性，因此將其用來火陶瓷和隔熱陶瓷制備中應用。在陶瓷具體制備過程中，需要嚴格控制燒制陶瓷的溫度，以此來保證氧化鋯固溶體立方相結構，可以采用溶膠凝膠法來將氧化鋯固溶體摻入到陶瓷材料中來，同時還要加入一定比例的Pr，在具體操作過程中，不同制備技術和不同Pr摻入量、不同溫度等都會使生產出來的新型陶瓷存在一定的差異。

3結束語

科學技術的不斷發展，一些新型材料也會不斷面世，在無機非金屬材料中制備中應用新技術，使化合物擁有不同的膨化系數，以此來實現不同化合物的固溶，形成新的固溶物來制備出超低膨脹的無機材料，不僅有利于提高固溶體的性能，而且能夠進一步拓展固溶體的運用范圍，更好的發揮出固溶體的重要作用，推動其在無機材料生產中的有效應用。

參考文獻：

[1]趙帥，趙萍.固溶體在無機非金屬材料中的應用[J].山東輕工業學院學報（自然科學版），2012，（4）.

[2]徐順建.無機非金屬新材料科技與產業概況及發展趨勢[J].新余高專學報，2010，（5）.

[3]史文元.關于固溶體在無機非金屬材料中應用的研究[J].山東工業技術，2014，（3）.