無(wú)機(jī)非金屬材料中固溶體的應(yīng)用研究

劉 凱

（中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用能力快速提高。固溶體是無(wú)機(jī)非金屬材料制造過(guò)程中產(chǎn)生的，在一定的壓力、溫度、時(shí)間、雜質(zhì)等制備條件下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，形成固溶體。固溶體能夠改變材料的原有性質(zhì)，賦予新的功能。

1 固溶體概述

固溶體一般是晶體，是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相，溶質(zhì)的特性決定固溶體的理化性質(zhì)。固溶體具有多個(gè)種類，根據(jù)外來(lái)組元在主晶相中位置不同，分為間隙固溶體與置換固溶體；根據(jù)原子分布的不同，分為有序固溶體和無(wú)序固溶體；根據(jù)固溶度的不同，分為連續(xù)型固溶體和有限型固溶體。

2 固溶體性能

2.1 固溶強(qiáng)化

固溶體的性能取決于溶質(zhì)元素的含量，當(dāng)溶質(zhì)元素含量較低時(shí)，其性能與溶劑金屬性能類似。當(dāng)溶質(zhì)元素不斷增加時(shí)，固溶體的金屬硬度、強(qiáng)度會(huì)隨之提高，而韌性、塑性隨之下降，這就是固溶強(qiáng)化現(xiàn)象，間隙固溶體和置換固溶體都具有固溶強(qiáng)化特點(diǎn)。通過(guò)控制溶質(zhì)含量，可以保證固溶體的硬度與強(qiáng)度，使其具有良好的韌性和塑性。

2.2 電性能

固溶體的電性能也取決于溶質(zhì)元素的含量，當(dāng)溶質(zhì)元素含量變化時(shí)，固溶體的電性能產(chǎn)生連續(xù)變化，而相界則會(huì)產(chǎn)生突變。例如，PbTiO3和PbZrO3的電性能較差，兩者化合物結(jié)構(gòu)類似，PbTiO3為鐵電體，而PbZrO3為反鐵電體。其Zr4+與Ti4+離子大小相近，可以產(chǎn)生連續(xù)型固溶體。隨著固溶體成份的不同，其晶體結(jié)構(gòu)也具有明顯的差異。PbZrO3- Pb-TiO3體系的等價(jià)置換，可以形成結(jié)構(gòu)完整的固溶體，不會(huì)改變導(dǎo)電性質(zhì)，固溶體導(dǎo)電正常，電場(chǎng)平衡。

2.3 固溶熱處理

固溶體的性質(zhì)在不同溫度下表現(xiàn)不同。固溶熱處理工藝為：將合金進(jìn)行加熱，將溫度控制在高溫區(qū)并保持恒溫，使剩余相充分速溶并且冷卻，可以制成過(guò)飽和固溶體。在固溶熱處理的時(shí)，主要有人工時(shí)效處理和自然時(shí)效處理兩種方法。

3 無(wú)機(jī)非金屬材料中固溶體的應(yīng)用

3.1 載體運(yùn)用

固溶體作為載體主要運(yùn)用于汽車尾氣的處理。在汽車尾氣的處理中，固溶體兼具載體和催化劑的作用。通過(guò)在CeO2添加Zr4+，生成的CexZr1-xO2可以改變CeO2的本相特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的催化處理。催化劑要求具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)氧能力，固溶體的良好特性使得其成為催化劑領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

3.2 催化劑運(yùn)用

1）鈰鋯氧化物固溶體。二氧化鈰用途廣泛，可作為優(yōu)良的催化劑和催化劑助劑，在汽車尾氣催化劑、玻璃添加劑、水汽變換反應(yīng)、燃料電池電解質(zhì)、氧氣傳感器、電子陶瓷、甲烷氧化偶聯(lián)、紫外線吸收、催化加氫等化學(xué)反應(yīng)中得到了廣泛的應(yīng)用。已有研究發(fā)現(xiàn)，CeO2-ZrO2是一種具有良好催化活性和熱穩(wěn)定性的固溶體，主要用于甲烷燃燒過(guò)程的催化。在鈰鋯氧化物固溶體中，由于Ce具有較強(qiáng)的氧化還原能力，氧氣在Ce4+還原為Ce3+的過(guò)程中使甲烷得到氧化。在氧化還原過(guò)程中，Ce4+與Ce3+是交替生成，使得反應(yīng)較為平緩。CeO2的含量對(duì)氧化性具有直接影響，在CeO2的立方晶格中引入Zr4+，可以有效提高CeO2的穩(wěn)定性更高，使得CeO2在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，避免出現(xiàn)晶粒生長(zhǎng)過(guò)大情況。2）SnO2-TiO2固溶體。在TiO2中摻雜SnO2可產(chǎn)生固溶體，結(jié)構(gòu)主要為金紅石，酸性較弱，表面含有一定的晶格氧、吸附氧。可通過(guò)增加SnO2-TiO2固溶體的比表面積來(lái)提高其催化活性，方法是將SnO2、TiO2進(jìn)行均勻混合，使SnO2分解純相TiO2。已有研究發(fā)現(xiàn)，Ga-N-ZnO固溶體具有光解水作用的新型催化劑，為制氫領(lǐng)域提供了全新的方法。

3.3 在新型陶瓷中的應(yīng)用

隨著陶瓷產(chǎn)品應(yīng)用的拓展，工業(yè)陶瓷的需求越來(lái)越多。陶瓷公司為滿足市場(chǎng)需求，提供高性能產(chǎn)品，開(kāi)始研發(fā)鈦硅碳系列的新型陶瓷。此種陶瓷的特點(diǎn)是抗氧化、高強(qiáng)度、抗震、抗壓。在新型陶瓷的制造中，氧化鈰固溶體可對(duì)陶瓷的性能進(jìn)行優(yōu)化提升。由于氧化鈰固溶體在2400°以上是立方相結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，在燒制陶瓷時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，使氧化鈰固溶體的晶相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较嘟Y(jié)構(gòu)，可進(jìn)行制造隔熱陶瓷和耐火陶瓷。

3.4 對(duì)晶格的影響

鈦酸鋁具有耐火度高、隔熱性好喝抗震性強(qiáng)等優(yōu)良特性，但當(dāng)溫度在750℃-1300℃之間時(shí)，鈦酸鋁會(huì)分解為金紅石和剛玉，熱穩(wěn)定性較差使得鈦酸鋁的應(yīng)用范圍受到極大限制。在未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的鈦酸鋁，可以添加三氧化二鐵和氧化鎂生成連續(xù)型固溶體，增強(qiáng)晶格的穩(wěn)定性，抑制鈦酸鋁的熱分解，從而擴(kuò)大鈦酸鋁的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

固溶體的良好特性使其用途日益廣泛，作用日益重要，未來(lái)隨著對(duì)材料要求的不斷提高、新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，固溶體的應(yīng)用范圍必將更加廣泛，固溶體的晶體變化、微觀表征和合成研究仍需繼續(xù)推進(jìn)。