刘 凯

（中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230000）

随着科学技术的不断进步，新材料的发现和应用能力快速提高。固溶体是无机非金属材料制造过程中产生的，在一定的压力、温度、时间、杂质等制备条件下，材料内部会产生点缺陷，形成固溶体。固溶体能够改变材料的原有性质，赋予新的功能。

1 固溶体概述

固溶体一般是晶体，是溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相，溶质的特性决定固溶体的理化性质。固溶体具有多个种类，根据外来组元在主晶相中位置不同，分为间隙固溶体与置换固溶体；根据原子分布的不同，分为有序固溶体和无序固溶体；根据固溶度的不同，分为连续型固溶体和有限型固溶体。

2 固溶体性能

2.1 固溶强化

固溶体的性能取决于溶质元素的含量，当溶质元素含量较低时，其性能与溶剂金属性能类似。当溶质元素不断增加时，固溶体的金属硬度、强度会随之提高，而韧性、塑性随之下降，这就是固溶强化现象，间隙固溶体和置换固溶体都具有固溶强化特点。通过控制溶质含量，可以保证固溶体的硬度与强度，使其具有良好的韧性和塑性。

2.2 电性能

固溶体的电性能也取决于溶质元素的含量，当溶质元素含量变化时，固溶体的电性能产生连续变化，而相界则会产生突变。例如，PbTiO3和PbZrO3的电性能较差，两者化合物结构类似，PbTiO3为铁电体，而PbZrO3为反铁电体。其Zr4+与Ti4+离子大小相近，可以产生连续型固溶体。随着固溶体成份的不同，其晶体结构也具有明显的差异。PbZrO3- Pb-TiO3体系的等价置换，可以形成结构完整的固溶体，不会改变导电性质，固溶体导电正常，电场平衡。

2.3 固溶热处理

固溶体的性质在不同温度下表现不同。固溶热处理工艺为：将合金进行加热，将温度控制在高温区并保持恒温，使剩余相充分速溶并且冷却，可以制成过饱和固溶体。在固溶热处理的时，主要有人工时效处理和自然时效处理两种方法。

3 无机非金属材料中固溶体的应用

3.1 载体运用

固溶体作为载体主要运用于汽车尾气的处理。在汽车尾气的处理中，固溶体兼具载体和催化剂的作用。通过在CeO2添加Zr4+，生成的CexZr1-xO2可以改变CeO2的本相特征，从而实现对汽车尾气的催化处理。催化剂要求具有优良的热稳定性和储氧能力，固溶体的良好特性使得其成为催化剂领域研究和应用的热点。

3.2 催化剂运用

1）铈锆氧化物固溶体。二氧化铈用途广泛，可作为优良的催化剂和催化剂助剂，在汽车尾气催化剂、玻璃添加剂、水汽变换反应、燃料电池电解质、氧气传感器、电子陶瓷、甲烷氧化偶联、紫外线吸收、催化加氢等化学反应中得到了广泛的应用。已有研究发现，CeO2-ZrO2是一种具有良好催化活性和热稳定性的固溶体，主要用于甲烷燃烧过程的催化。在铈锆氧化物固溶体中，由于Ce具有较强的氧化还原能力，氧气在Ce4+还原为Ce3+的过程中使甲烷得到氧化。在氧化还原过程中，Ce4+与Ce3+是交替生成，使得反应较为平缓。CeO2的含量对氧化性具有直接影响，在CeO2的立方晶格中引入Zr4+，可以有效提高CeO2的稳定性更高，使得CeO2在高温烧结过程中，避免出现晶粒生长过大情况。2）SnO2-TiO2固溶体。在TiO2中掺杂SnO2可产生固溶体，结构主要为金红石，酸性较弱，表面含有一定的晶格氧、吸附氧。可通过增加SnO2-TiO2固溶体的比表面积来提高其催化活性，方法是将SnO2、TiO2进行均匀混合，使SnO2分解纯相TiO2。已有研究发现，Ga-N-ZnO固溶体具有光解水作用的新型催化剂，为制氢领域提供了全新的方法。

3.3 在新型陶瓷中的应用

随着陶瓷产品应用的拓展，工业陶瓷的需求越来越多。陶瓷公司为满足市场需求，提供高性能产品，开始研发钛硅碳系列的新型陶瓷。此种陶瓷的特点是抗氧化、高强度、抗震、抗压。在新型陶瓷的制造中，氧化铈固溶体可对陶瓷的性能进行优化提升。由于氧化铈固溶体在2400°以上是立方相结构，此种结构最为稳定，在烧制陶瓷时对温度进行严格控制，使氧化铈固溶体的晶相结构转变为立方相结构，可进行制造隔热陶瓷和耐火陶瓷。

3.4 对晶格的影响

钛酸铝具有耐火度高、隔热性好喝抗震性强等优良特性，但当温度在750℃-1300℃之间时，钛酸铝会分解为金红石和刚玉，热稳定性较差使得钛酸铝的应用范围受到极大限制。在未达到稳定状态的钛酸铝，可以添加三氧化二铁和氧化镁生成连续型固溶体，增强晶格的稳定性，抑制钛酸铝的热分解，从而扩大钛酸铝的应用范围。

4 结语

固溶体的良好特性使其用途日益广泛，作用日益重要，未来随着对材料要求的不断提高、新材料的不断发现，固溶体的应用范围必将更加广泛，固溶体的晶体变化、微观表征和合成研究仍需继续推进。