利用缺陷化學原理指導無機非金屬材料的研究

陳上達

摘要：隨著科技的高速發展，無機非金屬材料的研究和應用越來越廣泛。在這些材料的制備過程中，會因為一些不確定因素的影響，在材料內部產生缺陷，形成新的材料功能。可以對這些缺陷進行深入的研究，以便在制備材料的過程中很好的進行控制和有效的指導。本文主要探討利用缺陷化學原理指導無機非金屬材料的研究。

關鍵詞：缺陷化學；無機非金屬材料；研究實例

任何一種材料都具有一定的缺陷，無機非金屬材料也不例外，無機非金屬材料在制備的過程中，常常會受到許多外界因素的影響，如溫度、雜質等，這就會使成品材料的內部存在缺陷。利用缺陷化學理論對這些缺陷形成的原因和規律進行分析，對于非金屬材料的制備具有巨大貢獻。

1 缺陷化學理論指導無機非金屬材料研究的意義

由于任何一種材料都具有一些缺陷，或存在雜質，或具有孔洞，這對其性質方面有很大的影響，有時甚至會通過缺陷產生一種新的材料，所以對缺陷進行研究就顯得十分有必要。缺陷化學主要是研究固體物質包括材料之中的微觀或者主要是點缺陷的產生原因，以及平衡缺陷，還要研究這些缺陷的存在對于材料本來的性質有那些影響，對缺陷的種類與濃度采取有效的措施進行控制。

無機非金屬材料在生產和制備中，經常有因素對其進行影響從而在這些材料中產生點缺陷，對其的性能產生改變，這些材料會因為這些缺陷而具有一些全新的功能。利用缺陷化學原理對固體材料進行指導研究，可以利用缺陷反應的化學方程式去平衡缺陷之間的反應，因為當將點缺陷看成是化學組元，寫出關于它們的特殊的方程式之后，可以發現其中存在著平衡常數[1]。通過對這些材料中的缺陷產生的規律進行研究，就可以有效的控制材料中缺陷的種類和缺陷的濃度，為無機非金屬材料的研究和應用提供理論指導。

2 利用缺陷化學原理指導功能性材料制備的方法

2.1某種缺陷的類型識別，在ZrO2中參雜CaO從而形成固溶體

在ZrO2之中只需添加少量的CaO就可以形成固溶體，根據電中性對其的不同要求，可以形成不同類型的固溶體。既能夠滿足電中性需要形成具有氧離子空位型的固溶體，也能夠形成滿足其另外需求的鈣離子填隙型的固溶體，這樣就可以根據這個寫出來兩個關于固溶缺陷方面的方程式[2]。之后可以利用這兩個缺陷方程式來計算出他們的密度值，然后將通過計算的出來的密度值和實際測量的到的密度值兩者之間進行比較，就可以得出在特定的條件下，哪個缺陷方程式的反應能夠發生，正確的方程式是什么，從而確定固溶體的類型。

2.2受氣氛影響的CoO研究

因為CoO之中存在鈷離子因，它是變價的陽離子，特別容易受到外界因素的影響。通常情況下，由于外界氣氛的觸動，就會相應的引發其內部的化合價發生不同程度的改變，這樣在同一種化合物之中，陽離子就同時存在了兩種化合價，這就在其內部產生了點缺陷，也就是非化學計量的化合物。

如果外界當中的氧分的壓力比較高，CoO就會發生反應，可能會使一些Co2+發生轉變，從而變成Co3+，這樣就會發生相應的缺陷化學反應，要想使這個缺陷反應達到平衡，就得到了一個平衡常數。這個平衡常數由反應自由的進行控制，從而可以得到一系列的公式，能夠得出作圖直線斜率的數值。測定外界中存在的氧分壓和在CoO之中，鈷離子的空位擴散的系數兩者之間的關系，實際測定得出的結果，其直線斜率的數值與之前作圖得出的數值相同[3]。這種情況恰恰說明了，利用缺陷化學原理對其進行理論上的分析，可以得到與實驗結果相同的結論。

2.3缺陷化學原理研究外界氣氛影響TiO2的性能

TiO2這種材料很容易受到外界氣氛的影響，有專家學者對其進行了實驗，通過實驗得到了這樣的結果，如果在外界氣氛是強氧化的情況下，對TiO2材料進行燒結，所獲得的介質材料是具有金黃色的，但是如果在外界氣氛是還原的情況下對材料進行燒結，得到的介質材料呈現的卻是灰黑色的，這是一種具有半導體的性質的特殊材料，它其實是n型的半導體材料。如何解釋在不同的外界氣氛情況下，對材料燒結會得到完全不同性質的材料，缺陷化學可以在其中發揮相應的作用。

鈦離子其實本身具有兩種不同的價態，一種是四價鈦，另外一種是三價的鈦。如果TiO2處于缺少氧氣的狀態之下，就會可能出現這種情況，一些四價的鈦會轉化成三價的鈦，這個缺陷反應可以簡化成這樣表示：Oo=Vo+?O2↑+2e。根據質量守恒定律對其進行平衡時，保持晶體材料中的氧離子的濃度不發生改變。在這個過程中發現氧空位的濃度和氧分壓的濎次方是呈現反比例增長的。如果外界存在的氧壓力逐漸變大，那樣氧空位的濃度就會相應的變小，所以在強氧化的氣氛下對TiO2進行燒結，就得到了金黃色的介質材料。而外界是還原的氣氛，氧壓力不足，就會得到灰黑色的半導體材料。

總結：

通過缺陷化學理論對無機非金屬材料進行研究，對于固溶體的研究和對非化學計量的化合物在研究方法上存在不同，但是都能夠通過理論分析得出印象缺陷產生和缺陷濃度的控制因素。在實際的研究過程中，利用缺陷化學理論進行研究的方法多種多樣，本文只是通過幾個例子對其進行簡要的分析。利用缺陷化學進行研究的前景還很大，相關的研究學者和專家應該加大研究的力度，為無機非金屬材料的制備做出貢獻。

參考文獻：

[1]林楓，劉劍虹，王超會.無機非金屬材料專業實驗教學體系的整體優化[J].高師理科學刊，2007（1）：96-98.

[2]宋曉嵐，楊華明，王海東，胡岳華，邱冠周.無機非金屬材料專業創新人才培養的教學體系優化與實踐[J].理工高教研究，2007（2）：91-93.

[3]中國中材集團有限公司副總經理于國波.加快新型無機非金屬材料產業發展

構筑建材行業嶄新的未來[N].中國建材報，2013（12）：1-10.endprint