沈阳化工大学无机材料科学基础--3-2 固溶体.pptVIP

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沈阳化工大学无机材料科学基础--3-2 固溶体

无机材料科学基础 凡是在固态条件下,一种组分(溶剂)内“溶解”了其它组分(溶质)而形成单一、均匀的晶态固体,称为固溶体。 第三节 固溶体 固溶体、机械混合物和化合物三者之间有本质的区别 固溶体的分类 置换型固溶体 间隙型固溶体 形成固溶体后对晶体性质的影响 固溶体的研究方法 本节内容: (一)固溶体的分类 根据杂质原子在固溶体主晶相中所处位置 ,可分为置换固溶体和间隙固溶体。 按杂质原子在主晶相中的固溶度,可分为连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。 (1)置换型固溶体 (2)间隙型固溶体 杂质原子进入晶体中正常格点位置所生成的固溶体。如:MgO-CaO,MgO-CoO,PbZrO3-PbTiO3,Al2O3-Cr2O3等 杂质原子进入溶剂晶格的间隙位置所生成的固溶体。 1、 按杂质原子在固溶体中的位置分类 (1)无限(连续)固溶体 (2)有限固溶体 无限固溶体是指溶质和溶剂两种晶体可以按任意比例无限制的相互固溶。 有限固溶体是溶质只能以一定的溶解限量溶入到溶剂中,即杂质原子在固溶体中的溶解度是有限的。 2、按杂质原子在晶体中的溶解度分类 部分互溶,不连续,溶解度一定 任意比例、完全互溶 (无限固溶体) (二)置换型固溶体 1、 形成置换型固溶体的条件 原子或离子尺寸 晶体结构类型 离子类型和键性 电价因素 电负性因素 (1)原子或离子尺寸 原子或离子尺寸越接近,固溶体越稳定 15%规则: 15%, 连续固溶体 15~30%,有限固溶体 30%,不形成固溶体 例: MgO-NiO;MgO-CaO (2)晶体结构类型 (3)离子类型和键性 晶体结构类型相同,易形成连续型固溶体 例如: MgO-NiO;Al2O3-Cr2O3;PbZrO3-PbTiO3 离子类型相同、化学键性质相近,容易形成固溶体 例如: MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3; (4)电价因素 离子价相同或离子价总和相等时,才能生成连续型固溶体 例如: MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3; 钙长石-钠长石、PbZrO3-PbTiO3 (5)电负性 电负性相近 —— 固溶体 电负性差别大 —— 化合物 例:判断 MgO-CaO 系统 可能出现的组分缺陷: 高价置换低价 阳离子出现空位 阴离子进入间隙 低价置换高价 阴离子出现空位 阳离子进入间隙 2、置换型固溶体中的“组分缺陷” 等价置换 不等价置换 —— 产生组分缺陷 置换型固溶体 间隙型固溶体 (三)间隙型固溶体 1、 形成间隙型固溶体的条件 (1)结构尺寸因素 1)杂质质点大小 2)晶体(基质)结构 即添加的原子愈小,易形成固溶体,反之亦然。 一般晶体中空隙愈大,结构愈疏松,易形成固溶体 例:MgO、TiO2、CaF2、架状硅酸盐片沸石 形成间隙固溶体的次序为: 片沸石 CaF2 TiO2 MgO (2)电价因素 保持电价平衡(电中性) 硅酸盐固溶体中:Be2++2Al3+ 2Si4+ 例: 2、 填隙型固溶体实例 (1)原子填隙 (2)阳离子填隙 (3)阴离子填隙 C在Fe 中间隙固溶体 (四)形成固溶体后对晶体性质的影响 1、活化晶格、促进烧结 Al2O3,熔点达2050℃,很难烧结; 加入3%的Cr2O3形成置换型固溶体,可在1860℃烧结; 加入1%~2%TiO2,形成缺位固溶体,可在1600℃烧结 ∴ 形成固溶体后可大大降低烧结温度 例: 2、稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生 例:ZrO2 加入CaO后,和ZrO2形成固溶体,无晶型转变 3、固溶强化 固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低,称为固溶强化。 例: 铂(铑)-铂(铑)热电偶,熔点为1450℃; 铂铑-铂 热电偶,熔点为1700℃; 铂铑-铂铑 热电偶,熔点为2000℃以上 (1)晶胞参数 1)超导材料 2)压电材料 PZT ZrO2 :绝缘体 —— 导体、半导体 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响 例: (2)电性能 (3)光学性能 1)透明陶瓷 PLZT; PZT(热等静压烧结); Al2O3 2)人造宝石 为什么PZT用一般的烧结方法不能达到透明,而PLZT能透明呢? 例: 人造宝石 (4)机械强度 (五)固溶体的研究方法 1、大略估计 尺寸因素、空隙位置大小 (1)NaCl型结构 (2)TiO2型和CaF2型结构 例: 实际测量 d(密度) 理论计算 d0 Wi— 单位晶胞内第i种原子(离子)的质量,g W—晶胞

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