固溶体在无机非金属材料中的有效运用研究

温志民 1 佟娇娇 2

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　　摘要：随着社会经济的快速发展，科学技术水平的不断提高，固溶体在无机非金属材料制备和应用过程中得到了运用，尤其是催化剂制备中，在工程陶瓷和电子材料中进行了运用。文章主要对固溶体进行分析，在此基础上，对固溶体在无机非金属材料中的有效运用进行了研究。 
　　关键词：固溶体；无机非金属材料；有效运用；催化剂制备；工程陶瓷；电子材料
　　随着时代的不断发展，新技术、新材料的不断应用，固溶体在材料制备中的应用越来越广泛，并且借助固溶体理论可以进一步指导新材料的开发与应用。在无机非金属材料制备中，通过温度、压力、杂质等方面的控制，可以在材料内部产生一些缺陷，进而形成固溶体，改变材料性质，开发新材料。现阶段，固溶体在无机非金属材料中的应用越来越突出，并且取得了长远发展。 
　　1 固溶体概述 
　　1.1 定义 
　　固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相，通常以一种化学物质为基体溶有其他物质的原子或分子所组成的晶体，在合金和硅酸盐系统中较多见，在多原子物质中亦存在。当溶剂的晶体结构添加溶质后可以稳定存在且保持均相，则该种混合物可以被视作溶液。一些混合物可以在很多种浓度情况下形成固溶体，而有一些混合物根本不能形成固溶体。 
　　1.2 分类 
　　首先，根据溶质原子在晶格中的位置不同，可以将固溶体分为置换固溶体、间隙固溶体。置换固溶体指的就是占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。当溶剂与溶质原子直径相差较小，在15%以内的时候非常容易形成置换固溶体。间隙固溶体指的就是分布在溶剂晶格间隙的固溶体。其溶剂为直径比较大的过渡金属，而溶质为直径较小的氢、碳等非金属。间隙固溶体形成的条件就是：溶剂与溶质原子直径之比小于0.59。其次，根据固溶度的不同，可以将固溶体分为无限固溶体、有限固溶体。最后，根据溶剂原子、溶质原子的分布不同，可以将固溶体分为有序固溶体、无序固溶体。 
　　1.3 性能 
　　1.3.1 固溶强化。在溶质元素含量比较低的情况下，固溶体性能和溶剂金属性能相似。但是随着溶质元素的不断增加，会使金属硬度、强度得到不断提升，而韧性、塑性不断下降，此种情况就是固溶强化。置换固溶体、间隙固溶体均会出现固溶强化现象。合理控制溶质含量，可以有效增强固溶体的硬度与强度，并且确保其具有一定的韧性、塑性。由此可以看出，固溶体均具有良好的力学性能，在工业生产中得到了普遍 
　　应用。 
　　1.3.2 电性能。随着溶质含量的不断变化，固溶体电性能会发生连续甚至现行变化，但是在相界中一般会发生突变。比如，PbZrO3、PbTiO3的电性能并不优良。PbZrO3为反铁电体，PbTiO3为铁电体，其化合物结构类似，Zr4+与Ti4+尺寸相近，能够产生连续固溶体。随着其成份的不断变化，其晶体结构也存在着一定的差异。PbZrO3–PbTiO3体系的等价置换，可以形成结构完整的固溶体，电场平衡，电导正常，不会改变介 
　　电性。 
　　1.3.3 固溶热处理。对合金予以加热，在高温单相区中保持恒温，使剩余相充分速溶并且冷却，进而得到过饱和的固溶体，这就是固溶热处理工艺。在进行处理的时候，主要包括两种方法：人工时效处理、自然时效处理。在具体操作过程中，可以考虑合金性质与用途，确定选用哪种处理方法。 
　　2 固溶体在无机非金属材料中的有效运用 
　　2.1 载体运用 
　　在汽车尾气中，固溶体不仅是一种催化剂，也是一种载体。在CeO2添加一些Zr4+，可以生成CexZr1-xO2，不仅可以对CeO2的本相特征予以调整，在实际运用，也可以充当汽车尾气的催化剂载体，还可以充当汽车尾气的催化剂助剂；同时，其还具有良好的热稳定性机贮氧性能，在催化剂领域中得到了广泛的应用，成为了人们的研究热点。原料不仅廉价，还属于水溶性无机盐，在使用载体组分与助剂组分的时候，可以产生固溶体，这样不仅可以保证载体组分的分布均匀，还可以实现助剂组分的分布均匀。 
　　2.2 催化剂运用 
　　2.2.1 铈锆氧化物固溶体。二氧化铈是一种优良催化剂，也是一种催化剂促进剂，在汽车尾气催化剂、水汽变换反应、氧气传感器、生物陶瓷材料、催化加氢、甲烷氧化偶联等反应中得到了普遍的应用。根据有关研究表明，在甲烷催化燃烧中，CeO2-ZrO2固溶体发挥着催化活性与稳定性的作用。 
　　在铈锆氧化物固溶体中，因为Ce具备良好的氧化还原性，Ce4+还原为Ce3+的过程中，多余的氧就会氧化甲烷，一般而言，在此过程中，Ce4+与Ce3+是交替生成的，有效避免了氧急剧变化情况的发生，并且CeO2含量对催化活性具有直接的影响作用。在氧化铈立方晶格中添加Zr4+，能够保证CeO2的稳定性更高，进而在烧结过程中，不会出现晶粒生长过大的现象。此类固溶体具有良好的贮氧性能、氧化还原性、热稳定性。 

　　2.2.2 SnO2-TiO2固溶体。在TiO2中添加适当的SnO2之后，可以生成固溶体，其结构主要为金红石，具有弱酸性，表面附着一定的晶格氧、吸附氧。将SnO2、TiO2两者进行充分的混合，因为纯相TiO2会被SnO2分解，在一定程度上增加了SnO2-TiO2固溶体的比表面积，从而实现了催化活性的增强。根据有关研究表明，Ga-N-ZnO固溶体作为一种新型催化剂，具有光解水、光响应的性能，为氢材料制备提供了一个全新的方面。 
　　2.3 对晶格的影响 
　　钛酸铝优势较多：其一，具有较强的抗震性；其二，具有良好的隔热性；其三，具有很高的耐火性。然而在750℃～1300℃之间，钛酸铝不仅可以分解为刚玉，还可以分解为金红石，极大地制约了钛酸铝的实践运用。针对不稳定钛酸铝来说，可以适当添加一些氧化镁、三氧化二铁，与钛酸铝生成连续固溶体，稳定晶格，抑制钛酸铝分解，实现了钛酸铝的有效运用。 
　　3 无机非金属材料新产品研发 
　　新型无机非金属材料指的就是具有高强、轻质、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异综合性能的新型材料，是其他材料难以替代的功能材料和结构材料。例如，稀土掺杂石英玻璃广泛应用于导弹、卫星及坦克火控武器等激光测距系统，耐辐照石英玻璃应用于各种卫星及宇宙飞船的姿控系统；光学纤维面板和微通道板作为像增强器和微光夜视元件在全天候兵器中得到应用；航空玻璃为中国各类军用飞机提供了关键部件；二氧化硅气凝胶是最轻的固体材料，也是导热系数最低的材料，被广泛开发应用于管道、设备保温。 
　　4 结语 
　　总而言之，随着新技术、新材料、新设备的不断开发，固溶体理论得到了广泛的运用，比如烧结制备低膨胀材料、利用不同膨胀系数化合物生成固溶体等。在氧化铝中适当添加一些其他氧化物，可以有效制备各种颜色的宝石制品，通过外界环境的运用，采取不同添加方式，改变材料结构，提高固溶体的性能，进而满足相关实际的需求，拓展固溶体的运用范围。由此可以看出，在社会未来发展中，固溶体运用发挥着至关重要的作用，一定要予以深入研究。 
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