无机非金属材料中固溶体的实施

张锦涛　王伟杰　陈小媛　樊佳　王世航

摘 要：目前，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也越来越迅速，化工行业的发展也越来越完善。固溶体在无机非金属材料的制备过程中得到了广泛应用。固溶体的运用也更加广泛，给无机非金属材料制备行业发展提供了保证，并在工程陶瓷以及电子材料的催化剂制备中发挥了巨大作用，为我国行业发展提供了巨大助力。

关键词：无机非金属材料;固溶体;实施

1 固溶体的概念

固溶体是经过溶质原子融入到溶剂晶格后而能够继续保持溶剂类型的一种合金相的称呼，将这种合金相称之为固溶体，而这种组元则称之为溶剂。在固溶体的分类中，根据其不同分类形式，固溶体的名称也各不相同。根据溶质原子在晶格中的位置排列不同，固溶体可以划分为置换固溶体以及间隙固溶体;根据溶质原子和溶剂原子的相对分布形式来进行划分，也可以划分为有序固溶体和无序固溶体。在无机非金属的制备过程中，通过对无机非金属材料的制备温度控制、制备压力控制以及材料材质控制等方式，能够是材料内部出现材料缺陷，进而形成固溶体，其原理就是无机非金属材料制备中溶质原子和溶剂原子发生变化，而最终形成固溶体。

2 性能

2.1固溶强化

如果溶质元素含量相对较低，则固溶体的性能与溶剂金属的性能相类似，但随着溶质元素的逐渐增加，金属硬度与强度均会不断上升，韧性与塑性逐渐下降，上述情况极为固溶强化过程。通过相关研究结果可知，置换固溶体与间隙固溶体都会发生固溶强化的情况。通过对溶质含量进行合理的控制，可有效增强固溶体强度及硬度，并且还要确保其具备一定的塑性与韧性。由此可知，固溶体自身的力学性能较良好，目前已广泛运用于工业生产。

2.2电性能

通常情况下，随着溶质含量的变化，固溶体自身的电性能会出现连续的甚至是现行变化情况，但如果在相界中，往往会发生突变。例如PbZrO3、PbTiO3的电性能，并不是很良好。其中，PbZrO3是一种反铁电体，PbTiO3是一种铁电体，两者的化合物结构相类似，Zr4+与Ti4+尺寸相近，可形成连续的固溶体。随着其成分的逐渐改变，其晶体结构也会发生一定的变化。通过PbZrO3–PbTiO3体系的等价置换，可形成结构相对完整的固溶体，电场平衡，电导正常，并且不会改变介电性。

2.3固溶热处理

通过加热合金，能够在高温单相区中保持恒温，从而使得剩余的相充分速溶、冷却，可获得过饱和的固溶体，上述为固溶热处理工艺，主要包含人工时效处理与自然时效处理两种处理方式，在进行具体处理工作时，需要对合金的性质与用途进行全面的考虑，并在此基础上选用适宜的处理方式。

3 无机非金属材料中固溶体的实施策略分析

3.1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，有效避免了氧急劇变化情况的发生，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。

3.2固溶体对晶格的影响

钛酸铝具有抗热震性强、耐火高、隔热性能好等诸多优点，但是它在750℃-1300℃会分解成刚玉和金红石，限制了它的实际应用。在未稳定化的钛酸铝中，引入Fe2O3和MgO与钛酸铝形成连续固溶体，稳定晶格，能有效抑制钛酸铝的热分解。PZT陶瓷中铁电体PbTiO3和反铁电体PbZrO3结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体Pb（ZrxTi1-x）O3，x=0.1-0.3，稳定晶格，压电性能、介电常数和烧结性能都大幅度提高。烧结过程中，将TiO2加入到Al2O3中形成固溶体，正离子空位，晶格活化，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。

3.3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。

3.4固溶体作为载体

在应用于汽车尾气催化剂的载体中，通过在CeO2中掺杂Zr4+形成的铈锆氧化物固溶体（CexZr1-xO2），改善了CeO2的体相特性，在应用中只作为汽车尾气净化催化剂载体或助剂，不作为活性组分，具有高的贮氧能力和良好的热稳定性，是目前催化剂领域的研究热点之一。以廉价的水溶性无机盐为原料，使助剂（CeO2）组分和载体（ZrO2）组分形成固溶体，助剂与载体组分分布均匀，得到介孔铈锆固溶体，该类固溶体可作为合成气转油（F-T反应）钴基催化剂载体。

结语

随着新材料的不断发展，固溶体的理论得到了比较广泛的应用，如果在氧化铝中掺杂其他的一些氧化物，就可以制定出相应颜色各类宝石制品，并充分的利用外界环境，通过掺杂杂质的方式对材料的结构进行改变，使固溶体能够获得某种比较特殊的性能，并能够满足应用。对固体表征和微观结构调节物质比例所形成各种固溶体进行研究，在未来发展的过程中，具有着比较重要的作用。

参考文献

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