無機非金屬材料中固溶體的實施

張錦濤　王偉杰　陳小媛　樊佳　王世航

摘 要：目前，隨著社會的發展，我國的現代化建設的發展也越來越迅速，化工行業的發展也越來越完善。固溶體在無機非金屬材料的制備過程中得到了廣泛應用。固溶體的運用也更加廣泛，給無機非金屬材料制備行業發展提供了保證，并在工程陶瓷以及電子材料的催化劑制備中發揮了巨大作用，為我國行業發展提供了巨大助力。

關鍵詞：無機非金屬材料;固溶體;實施

1 固溶體的概念

固溶體是經過溶質原子融入到溶劑晶格后而能夠繼續保持溶劑類型的一種合金相的稱呼，將這種合金相稱之為固溶體，而這種組元則稱之為溶劑。在固溶體的分類中，根據其不同分類形式，固溶體的名稱也各不相同。根據溶質原子在晶格中的位置排列不同，固溶體可以劃分為置換固溶體以及間隙固溶體;根據溶質原子和溶劑原子的相對分布形式來進行劃分，也可以劃分為有序固溶體和無序固溶體。在無機非金屬的制備過程中，通過對無機非金屬材料的制備溫度控制、制備壓力控制以及材料材質控制等方式，能夠是材料內部出現材料缺陷，進而形成固溶體，其原理就是無機非金屬材料制備中溶質原子和溶劑原子發生變化，而最終形成固溶體。

2 性能

2.1固溶強化

如果溶質元素含量相對較低，則固溶體的性能與溶劑金屬的性能相類似，但隨著溶質元素的逐漸增加，金屬硬度與強度均會不斷上升，韌性與塑性逐漸下降，上述情況極為固溶強化過程。通過相關研究結果可知，置換固溶體與間隙固溶體都會發生固溶強化的情況。通過對溶質含量進行合理的控制，可有效增強固溶體強度及硬度，并且還要確保其具備一定的塑性與韌性。由此可知，固溶體自身的力學性能較良好，目前已廣泛運用于工業生產。

2.2電性能

通常情況下，隨著溶質含量的變化，固溶體自身的電性能會出現連續的甚至是現行變化情況，但如果在相界中，往往會發生突變。例如PbZrO3、PbTiO3的電性能，并不是很良好。其中，PbZrO3是一種反鐵電體，PbTiO3是一種鐵電體，兩者的化合物結構相類似，Zr4+與Ti4+尺寸相近，可形成連續的固溶體。隨著其成分的逐漸改變，其晶體結構也會發生一定的變化。通過PbZrO3–PbTiO3體系的等價置換，可形成結構相對完整的固溶體，電場平衡，電導正常，并且不會改變介電性。

2.3固溶熱處理

通過加熱合金，能夠在高溫單相區中保持恒溫，從而使得剩余的相充分速溶、冷卻，可獲得過飽和的固溶體，上述為固溶熱處理工藝，主要包含人工時效處理與自然時效處理兩種處理方式，在進行具體處理工作時，需要對合金的性質與用途進行全面的考慮，并在此基礎上選用適宜的處理方式。

3 無機非金屬材料中固溶體的實施策略分析

3.1鈰鋯氧化物固溶體

二氧化鈰是一種優良催化劑，也是一種催化劑促進劑，在汽車尾氣催化劑、水汽變換反應、氧氣傳感器、生物陶瓷材料、催化加氫、甲烷氧化偶聯等反應中得到了普遍的應用。根據有關研究表明，在甲烷催化燃燒中，CeO2-ZrO2固溶體發揮著催化活性與穩定性的作用。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的穩定性更高，進而在燒結過程中，不會出現晶粒生長過大的現象。此類固溶體具有良好的貯氧性能、氧化還原性、熱穩定性。

3.2固溶體對晶格的影響

鈦酸鋁具有抗熱震性強、耐火高、隔熱性能好等諸多優點，但是它在750℃-1300℃會分解成剛玉和金紅石，限制了它的實際應用。在未穩定化的鈦酸鋁中，引入Fe2O3和MgO與鈦酸鋁形成連續固溶體，穩定晶格，能有效抑制鈦酸鋁的熱分解。PZT陶瓷中鐵電體PbTiO3和反鐵電體PbZrO3結構相同，Zr4+、Ti4+離子尺寸相差不多，能在常溫生成連續固溶體Pb（ZrxTi1-x）O3，x=0.1-0.3，穩定晶格，壓電性能、介電常數和燒結性能都大幅度提高。燒結過程中，將TiO2加入到Al2O3中形成固溶體，正離子空位，晶格活化，晶格結構有一定畸變，處于高能量的活化狀態，有利于進行化學反應。

3.3無機非金屬材料新產品研發

新型無機非金屬材料指的就是具有高強、輕質、耐磨、抗腐、耐高溫、抗氧化以及特殊的電、光、聲、磁等一系列優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構材料。例如，稀土摻雜石英玻璃廣泛應用于導彈、衛星及坦克火控武器等激光測距系統，耐輻照石英玻璃應用于各種衛星及宇宙飛船的姿控系統;光學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用;航空玻璃為中國各類軍用飛機提供了關鍵部件;二氧化硅氣凝膠是最輕的固體材料，也是導熱系數最低的材料，被廣泛開發應用于管道、設備保溫。

3.4固溶體作為載體

在應用于汽車尾氣催化劑的載體中，通過在CeO2中摻雜Zr4+形成的鈰鋯氧化物固溶體（CexZr1-xO2），改善了CeO2的體相特性，在應用中只作為汽車尾氣凈化催化劑載體或助劑，不作為活性組分，具有高的貯氧能力和良好的熱穩定性，是目前催化劑領域的研究熱點之一。以廉價的水溶性無機鹽為原料，使助劑（CeO2）組分和載體（ZrO2）組分形成固溶體，助劑與載體組分分布均勻，得到介孔鈰鋯固溶體，該類固溶體可作為合成氣轉油（F-T反應）鈷基催化劑載體。

結語

隨著新材料的不斷發展，固溶體的理論得到了比較廣泛的應用，如果在氧化鋁中摻雜其他的一些氧化物，就可以制定出相應顏色各類寶石制品，并充分的利用外界環境，通過摻雜雜質的方式對材料的結構進行改變，使固溶體能夠獲得某種比較特殊的性能，并能夠滿足應用。對固體表征和微觀結構調節物質比例所形成各種固溶體進行研究，在未來發展的過程中，具有著比較重要的作用。

參考文獻

[1]江偉輝，肖興成，胡行方，周健兒，馬光華，顧幸勇.固溶體類型對鈦酸鋁熱穩定性的影響[J].無機材料學報，2013，23（12）：123-128.

[2]楊建，丑凌軍，趙軍，宋煥玲，張兵，李樹本.Co摻雜CeO_2-ZrO_2固溶體催化劑甲烷催化燃燒性能的研究[J].分子催化，2011，23（23）：123-130.

[3]王蒙，郭鵬慧，郭烈錦.氧化鋅前驅體對（Ga_（1-x）Zn_x）（N_（1-x）O_x）固溶體分解純水產氫活性的影響[J].太陽能學報，2011，23（13）：125-131.