固溶体在无机非金属材料中的应用

固溶体在无机非金属材料中的应用

王力勇

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摘要：科技水平的发展速度远远超出了人们的想象，经济化快速发展的当今社会，固溶体在无机非金属材料中的­应用也变得越来越广泛。在被用作催化剂方面，固溶体发挥着其独特的优势，尤其在工程陶瓷和电子材料方面，固­溶体都能有效地发挥其效能。本文主要介绍了固溶体在无机非金属材料中的应用。­

关键词：固溶体；无机非金属；应用

0引言

­80年代以来,新材料、信息技术和生物技术并­列为新技术革命的重要标志。进入21世纪，以纳米­材料、超导材料、光电子材料、生物医用材料及新能­源材料等为代表的新材料技术创新异常活跃,新材­料诸多领域正面临着一系列的技术突破和重大产业­发展机遇。固溶体在材料的制备及改性研究方面越­来越广泛,利用固溶体理论可有效指导新材料的开­发和应用。­在无机非金属材料的制备过程中，通过控制温度、压力或杂质掺杂等方式可在材料内部产生点缺­陷,形成固溶体,改变材料的性质赋予材料新的功­能。目前固溶体的制备方法有共沉淀法、溶胶-凝胶法、氧化物高能球磨法、表面活性剂模板法、溶液燃烧法和络合法等。形成固溶体一般要求反应物品­格类型相同晶格参数大小相近、原子结构相似和熔­点接近等。目前,固溶体在无机非金属材料中的应­用不断显现出来，并获得了长远的发展。

1固溶物简介­

在溶液中将溶质进行溶解后，理化性质受到微量溶质的决定形成­的产物为固溶体。固溶体有很多分类，一般我们根据外来的组元在固­溶体中主晶相的固溶度分类,将固溶体分为有限型和连续型两种;按­照外来组元在固溶体主晶相的位置分类,可以分成间隙固溶体和置换­固溶体;而若按照相图中固溶体所处的位置，则可以分成中间固溶体­和端部固溶体两部分。在固溶体的制备方法中,一般常用的有沉淀法、­电泳法、溶胶法以及络合法等一系列传统的方法，在最近几年,新兴­了一些固溶体的制备方法，但是这些技术和方法还不是很成熟，因此­在实际的生产过程中应用较少。这表明固溶体在非金属材料中的应用­还有很大的空间去探求,非金属材料制备在固溶体中还有很长一段路­要走。

2固溶体的特性­固溶体的特性

一般主要是由固溶物的组成物来决定的，在近些年­的无机非金属材料的制备中，在固溶体中掺杂一些性质独特的物质来­改变固溶体本身存在的特性，改变固溶体原有的属性。在固溶体中，­加入一些稀有元素，会将该元素的特性延伸到固溶体中，会大大提升­固溶体的属性。现在一些学 者将稀有金属添加到固溶体中，钛使用最广的一种，钛由于具有密度小，质轻,机械强度高、耐腐蚀、耐酸、­耐碱等一系列性能，因此在固溶体中被广泛的应用，掺入钛的固溶体­也会具备钛原有的一些属性，使得固溶体的性能得到进-步的加强。­还有一些将硅、铝以及石墨加入到固溶体中，让固溶体拥有它们的属­性，为非金属材料的制备提供更好的固溶体。

­3固溶体在无机非金属材料中的应用­

随着对固溶体的研究越来越多,因此固溶体的应用也越来越广泛，­近些年，固溶体开始在无机非金属材料中广泛应用。

­3.1固溶体作为催化剂

­在我国，一些研究人员通过将Ce0₂和Zr0₂进行固溶作用，得到­了一种新的铈钻氧化物的固溶体，由于之前的二氧化铈是非常好的催­化剂，在生物陶瓷材料的制备、燃料电池的电极的生产中都被用作催­化剂使用，效果很好。这种由两种氧化物固溶形成的固溶体，其既具­有Ce的氧化还原性质，在4价的Ce⁴⁺氧化为3价的Ce³⁺时，发生氧­化还原时，会对周围的氧浓度产生缓冲的作用，其中的Ce0₂直接影­响的是铈锆氧化物的固溶体的催化活性，在生物陶瓷的制备过程中，­加入铈锆氧化物的固溶体,能有效的将Zr⁴⁺引入到立方的晶格中去，­在烧结的过程中起到催化作用，使得生产出来的生物陶瓷质量高、性­能强，具有一些特性。在Mn-Ce-0的复合氧化物中,掺入一些铜粉，形成新的复合氧化­物的固溶体，同样可以在催化作用中增强其催化的作用，这是由于在­合氧化物Cu. Mn-Ce-0三元固溶体中，二价的Cu²⁺和Mn³⁺进入到­Ce0₂的晶格中去，使其形成萤石型结构的三元固溶体，这样的催化­剂在催化无机非金属材料过程中,提高了氧的活性和吸附能力，提高­了固溶体中铜和锰的分散和结合的速度,在无机非金属中会加快化合­物表面物质的还原，将催化活性能降到最低，使得生产过程中，无机­非金属材料耗能少，降低了成本。­还有一种固溶体是将Ti0₂中将Sn0₂掺杂进去形成SnO₂-Ti0₂固­溶体，主要的结构为金红石，形成的固溶物由于酸性弱，在固溶物的­表面会出现含有吸附氧，在晶格中出现晶格氧。在非金属材料的制备­中，Ti0₂会在反应中被Sn0₂反应分解，将Sn0₂-Ti0₂固溶体的比表­面积增大到一定程度，将Sn0₂-Ti0₂固溶体的催化活性提升,在宽带­隙半导体的制备中能连续反应，催化活性很高。

­3.2固溶体对晶格的影响­

在一种发现的钛酸铝固溶体，经过研究和实验，发现钛酸铝具有­耐火性、隔热性以及抗震性等一系列优良特点,但是在实际的应用中, ­发现钛酸铝在高温时，只要温度超过800°C时,就会被分解,在1300度以下会被分解成金红石和刚玉，这就会让钛酸铝的催化性能降低，不­稳定的钛酸铝，要想保证其稳定性，通常会加入一些Fe₂0₃和MgO,­使得钛酸铝形成稳定一点的晶格，有效地抑制钛酸铝固溶体的分解。­在无机非金属材料的制备中,钛酸铝固溶物的使用会使得生产的非金属材料压电性稳定、介电常数能够大幅的提升。因此在实际的应用中，­钛酸铝固溶体广泛的应用到无机非金属材料的制备中。

­3.3固溶体在新型陶瓷中的应用

­在近些年，一些陶瓷公司开始研究钛硅碳系列的陶瓷，这种新型­的陶瓷具备强度高、抗压、抗震、抗氧化等一系列优良特性，在一些­陶瓷的制备中,采用氧化锆固溶体进行新型陶瓷的应用，由于氧化锆­在高温下的结构不同，在1200C的温度以下结构为单斜相,而在1200C­到2400°C之间的结构为四方晶相，在2400C以上的结构将形成立方­相。在陶瓷的制备过程中，氧化锆固溶体在立方相结构时最稳定，在陶瓷中主要用于制备耐火陶瓷和隔热陶瓷,因此，在制备这些新型陶­瓷中，就要对烧制陶瓷的温度进行严格的控制，防止温度的变化导致­氧化锆固溶体的结构发生变化，在研究中一般采用的是溶胶凝胶法将­氧化锆固溶体掺杂进陶瓷材料中,但是掺杂的比例也会导致制备的陶­瓷性能发生变化，这时将加入一定比例的Pr，加入的Pr会将定形的­氧化锆固溶体转化为晶相结构的氧化锆。通过实验研究发现，不同的­制备技术、不同的Pr掺杂以及不同的温度，生产的新型陶瓷的兴纸­业不相同。

4结束语

­随着科学技术的发展，新型材料将会陆续的发现，新的科学技术­也会应用到无机非金属材料的制备中。在实际的应用中，通过化合物­的拥有不同的膨化系数来将不同的化合物进行固溶,形成新的固溶物­来制备超低膨胀无机材料。调整化合物不同的比例也能生产出不同的­热膨胀非金属材料。而在一些传统的氧化铝材料中,通过掺杂-些其­他新型的氧化物制备成新的固溶物可以制成颜色不同的人工宝石;在­锆钛酸铅加入一些镧系氧化物，就能够生产出透明度很高的压电陶瓷。固溶体的特性经过长时间的研究和分析,相信在未来的无机材料生产­中应用会越来越广。固溶体的明天将会越来越好。­

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