无机非金属材料中固溶体的应用分析

王琦

摘要：近年来我国科学技术的进步带动了新材料和新技术的发展，这也使固溶物在非金属材料中应用十分广泛，而且具有非常好的发展前景。在工程陶瓷等非技术材料制备过程中，固溶物作为催化剂，可以有效的提高非金属材料的性能和产量。在进行非金属制备过程中，通过掺入相应的固溶物后，可以改变无机材料的性质，使生产出来的新型材料具有更好的性能。因此在当前无机非金属材料制备中固溶体的应用变得越发重要。文中从固溶体概述入手，并进一步对无机非金属材料中固溶体的应用进行了具体的阐述。

关键词：固溶体；无机非金属材料；性能；应用

当前一些新技术和新材料在各个领域开始广泛应用，这为新材料工业的发展带来了良好的发展机遇。在新材料应用过程中，固溶体的应用和研究力度不断加大，特别是近年来固溶体在无机非金属材料中的应用，以此来改变非金属材料的性能，使新产品具有全新的特性和优异的综合性能，增强其实用性。

1 固溶体概述

固溶体通常情况下都是以一種化学物质作为基体，将其他物质的原子或是分子溶入溶剂晶格中所组成的晶体，并保持溶剂类型的合金相，多见于合金或是硅酸盐系统中，也存在于多原子物质中。在实际操作过程中，一些混合物能够在多种浓度情况下形成固溶体，但部分混合物根本无法形成固溶体。在对固溶体进行分类过程中，可以以溶质原子在晶体中的位置来划分为置换固溶体、间隙固溶体。当溶质原子占据溶剂晶体结点位置时形成的固溶体为置换固溶体，置换固溶体溶剂和溶质原子直接相差较小。当溶质原子分布在溶剂晶格间隙位置时，即为间隙固溶体，其溶剂为直径较大的过渡金属，溶质为直径较小的氢、碳等非金属，溶剂与溶质原子直径比例小于0.59，从而形成间隙固溶体。另外，固溶体由于固溶度的不同还可以分为无限固溶体和有限固溶体；溶剂原子和溶质原子分布不同还可以将固溶体分为有序固溶体和无序固溶体。固溶体具有固溶强化、电性能和固溶热处理等性能。当溶质元素含量较低时，固溶体性能和溶剂金属性能十分相似，当溶质元素不断增加时，会提高金属硬度和强度，但韧性和塑性会呈现出下降趋势。因此要合理对溶质含量进行控制，以此来增强固溶体的强度和硬度，使其保持良好的韧性和塑性。当溶质含量不断变化时，固溶体电性能也会随之发生变化，但是在相界中一般会有突变发生，使固溶体达不到优良的电性能。固溶热处理的方法有人工时效处理和自然时效处理，在具体操作时要针以合金性质和用途来选择适宜的处理方法，即要通过加热合金，保持高温单相区的恒温，充分速溶剩余相并使其冷却，从而获得过饱和的固溶化。

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，在实际运用中，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固溶体作为催化剂

通过将二氧化铈和二氧化锆进行固溶，可以得到一种新的铈锆氧化物固溶体。这其中二氧化铈作为性能较好的催化剂，在生物陶瓷材料制备及生产燃料电池的电极过程中用作催化剂具有较好的效果。将两者结合于一体的固溶体，其具备了铈的氧化还原性质，二氧化铈会对铈锆氧化物固溶体的催化活性带来直接的影响。因此在生物陶瓷制备中加入铈锆氧化物的固溶体后，可以将四价锆引入到立方的晶格中，并在烧结过程中起到催化作用，从而使生产出来的生物陶瓷具有较好的质量和性能。

在Mn-Ce-O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—O三元固溶体中，二价的Cu2+和Mn3+进入到CeO2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TiO2中将SnO2掺杂进去形成SnO2-TiO2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，TiO2会在反应中被SnO2反应分解，将SnO2-TiO2固溶体的比表面积增大到一定程度，将SnO2-TiO2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。

2.3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℃时，就会被分解，在1300℃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Fe2O3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。

2.4固溶体在新型陶瓷中的应用

目前一种新型的钛硅碳系列陶瓷得以面世，其具有较高的强度、抗压、抗震和抗氧化性能十分优良。在这类新型陶瓷制备过程中，利用氧化锆固溶体，其在高温下结构不变，因此在陶瓷制备过程中，氧化锆固溶体处于立方相结构时具有较为稳定性，因此将其用来火陶瓷和隔热陶瓷制备中应用。在陶瓷具体制备过程中，需要严格控制烧制陶瓷的温度，以此来保证氧化锆固溶体立方相结构，可以采用溶胶凝胶法来将氧化锆固溶体掺入到陶瓷材料中来，同时还要加入一定比例的Pr，在具体操作过程中，不同制备技术和不同Pr掺入量、不同温度等都会使生产出来的新型陶瓷存在一定的差异。

3结束语

科学技术的不断发展，一些新型材料也会不断面世，在无机非金属材料中制备中应用新技术，使化合物拥有不同的膨化系数，以此来实现不同化合物的固溶，形成新的固溶物来制备出超低膨胀的无机材料，不仅有利于提高固溶体的性能，而且能够进一步拓展固溶体的运用范围，更好的发挥出固溶体的重要作用，推动其在无机材料生产中的有效应用。

参考文献：

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