關于固溶體在無機非金屬材料中應用的研究

【摘 要】改革開放以來，我國的科學技術飛速發(fā)展，新材料、新技術不斷發(fā)現(xiàn)和研究，而在這些新材料中，固溶物在一些非金屬材料中的應用非常廣泛，并且發(fā)展的前途很好。固溶物在工程陶瓷等非技術材料的制備過程中作為催化劑，能大大提高非金屬材料的性能和產(chǎn)量。在一些非金屬制備中通過一些固溶體的摻入，會在根本上改變無機材料的性質，生產(chǎn)出性能好的新型材料，因此在以后的非金屬材料制備中的應用越來越重要。本文主要對固溶物的特點、性質及在非金屬材料中的應用進行一些研究和分析。

【關鍵詞】固溶物；無機非金屬；非金屬材料；應用與研究

0 前言

隨著科學的不斷進步，新技術開始在各個領域中應用，尤其是進入21世紀以來，新的技術更是如雨后初筍般出現(xiàn)，我們常聽到的如納米材料的應用、超導材料的發(fā)現(xiàn)、新能源的研究以及光電子材料的技術發(fā)展等一系列新技術和新材料。這對我國的新材料工業(yè)來說是一次重大的發(fā)展機遇，如果能抓住這次新材料機遇，我國的工業(yè)生產(chǎn)將會有一個新的突破。隨著固溶物的應用和發(fā)展，固溶物的應用和研究越來越廣，尤其是近些年來在無機非技術材料中的應用，在制備無機非金屬材料中，在材料制備過程中，通過對其內(nèi)部摻雜雜質、改變壓力等一系列條件，來使得非金屬材料的性質發(fā)生改變，從而賦予非金屬材料新的特性。

1 固溶物簡介

在溶液中將溶質進行溶解后，理化性質受到微量溶質的決定形成的產(chǎn)物為固溶體。固溶體有很多分類，一般我們根據(jù)外來的組元在固溶體中主晶相的固溶度分類，將固溶體分為有限型和連續(xù)型兩種；按照外來組元在固溶體主晶相的位置分類，可以分成間隙固溶體和置換固溶體；而若按照相圖中固溶體所處的位置，則可以分成中間固溶體和端部固溶體兩部分。在固溶體的制備方法中，一般常用的有沉淀法、電泳法、溶膠法以及絡合法等一系列傳統(tǒng)的方法，在最近幾年，新興了一些固溶體的制備方法，但是這些技術和方法還不是很成熟，因此在實際的生產(chǎn)過程中應用較少。這表明固溶體在非金屬材料中的應用還有很大的空間去探求，非金屬材料制備在固溶體中還有很長一段路要走。

2 固溶體的特性

固溶體的特性一般主要是由固溶物的組成物來決定的，在近些年的無機非金屬材料的制備中，在固溶體中摻雜一些性質獨特的物質來改變固溶體本身存在的特性，改變固溶體原有的屬性。在固溶體中，加入一些稀有元素，會將該元素的特性延伸到固溶體中，會大大提升固溶體的屬性?，F(xiàn)在一些學者將稀有金屬添加到固溶體中，鈦使用用最廣的一種，鈦由于具有密度小，質輕，機械強度高、耐腐蝕、耐酸、耐堿等一系列性能，因此在固溶體中被廣泛的應用，摻入鈦的固溶體也會具備鈦原有的一些屬性，使得固溶體的性能得到進一步的加強。還有一些將硅、鋁以及石墨加入到固溶體中，讓固溶體擁有它們的屬性，為非金屬材料的制備提供更好的固溶體。

3 固溶體在無機非金屬材料中的應用

隨著對固溶體的研究越來越多，因此固溶體的應用也越來越廣泛，近些年，固溶體開始在無機非金屬材料中廣泛應用。

3.1 固溶體作為催化劑

在我國，一些研究人員通過將CeO2和ZrO2進行固溶作用，得到了一種新的鈰鋯氧化物的固溶體，由于之前的二氧化鈰是非常好的催化劑，在生物陶瓷材料的制備、燃料電池的電極的生產(chǎn)中都被用作催化劑使用，效果很好。這種由兩種氧化物固溶形成的固溶體，其既具有Ce的氧化還原性質，在4價的Ce4+氧化為3價的Ce3+時，發(fā)生氧化還原時，會對周圍的氧濃度產(chǎn)生緩沖的作用，其中的CeO2直接影響的是鈰鋯氧化物的固溶體的催化活性，在生物陶瓷的制備過程中，加入鈰鋯氧化物的固溶體，能有效的將Zr4+引入到立方的晶格中去，在燒結的過程中起到催化作用，使得生產(chǎn)出來的生物陶瓷質量高、性能強，具有一些特性。

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(chǎn)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(xiàn)含有吸附氧，在晶格中出現(xiàn)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(xù)反應，催化活性很高。

3.2 固溶體對晶格的影響

在一種發(fā)現(xiàn)的鈦酸鋁固溶體，經(jīng)過研究和實驗，發(fā)現(xiàn)鈦酸鋁具有耐火性、隔熱性以及抗震性等一系列優(yōu)良特點，但是在實際的應用中，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定的鈦酸鋁，要想保證其穩(wěn)定性，通常會加入一些Fe2O3和MgO，使得鈦酸鋁形成穩(wěn)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(chǎn)的非金屬材料壓電性穩(wěn)定、介電常數(shù)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。

3.3 固溶體在新型陶瓷中的應用

在近些年，一些陶瓷公司開始研究鈦硅碳系列的陶瓷，這種新型的陶瓷具備強度高、抗壓、抗震、抗氧化等一系列優(yōu)良特性，在一些陶瓷的制備中，采用氧化鋯固溶體進行新型陶瓷的應用，由于氧化鋯在高溫下的結構不同，在1200℃的溫度以下結構為單斜相，而在1200℃到2400℃之間的結構為四方晶相，在2400℃以上的結構將形成立方相。在陶瓷的制備過程中，氧化鋯固溶體在立方相結構時最穩(wěn)定，在陶瓷中主要用于制備耐火陶瓷和隔熱陶瓷，因此，在制備這些新型陶瓷中，就要對燒制陶瓷的溫度進行嚴格的控制，防止溫度的變化導致氧化鋯固溶體的結構發(fā)生變化，在研究中一般采用的是溶膠凝膠法將氧化鋯固溶體摻雜進陶瓷材料中，但是摻雜的比例也會導致制備的陶瓷性能發(fā)生變化，這時將加入一定比例的Pr，加入的Pr會將定形的氧化鋯固溶體轉化為晶相結構的氧化鋯。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，不同的制備技術、不同的Pr摻雜以及不同的溫度，生產(chǎn)的新型陶瓷的興紙業(yè)不相同。

4 結束語

隨著科學技術的發(fā)展，新型材料將會陸續(xù)的發(fā)現(xiàn)，新的科學技術也會應用到無機非金屬材料的制備中。在實際的應用中，通過化合物的擁有不同的膨化系數(shù)來將不同的化合物進行固溶，形成新的固溶物來制備超低膨脹無機材料。調整化合物不同的比例也能生產(chǎn)出不同的熱膨脹非金屬材料。而在一些傳統(tǒng)的氧化鋁材料中，通過摻雜一些其他新型的氧化物制備成新的固溶物可以制成顏色不同的人工寶石；在鋯鈦酸鉛加入一些鑭系氧化物，就能夠生產(chǎn)出透明度很高的壓電陶瓷。固溶體的特性經(jīng)過長時間的研究和分析，相信在未來的無機材料生產(chǎn)中應用會越來越廣。固溶體的明天將會越來越好。

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[責任編輯：劉帥]