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第5章 结构缺陷及固溶体

              5.5 固溶体(1)

    5.5.1 概述

    液体有纯溶剂和含有溶质的溶液之分,对于液体溶液,大家都已熟知,是由溶质以分子级均匀程度溶解到溶剂中所形成的。类似地,对于固体也有纯晶体和含有杂质的固体溶液之分,后者是指晶体中含有外来杂质,简称固溶体。凡在固体条件下,一种组分(溶剂)内“溶解”了其它组分(溶质)而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。如果固溶体是由A物质溶解在B物质中形成的,一般将组分B称为溶剂(或主晶相、基质),将组分A称为溶质(或掺杂质点、杂质)。如果两种组分可以互溶,那么就将含量高的那种称为溶剂,含量低的称为溶质。
    固溶体一般有以下几个基本特征。
    (1)固溶体中不同组分之间的互溶是在原子尺度上相互混合的。
    (2)生成固溶体后,并不破坏主晶相原有的晶体结构,但是晶胞参数可能有少许改变,因此基本保持了主晶相的特性。
    (3)对于大部分固溶体系而言,都存在一定的固溶度(即杂质的溶解极限),这种固溶体称为有限固溶体或不连续固溶体;只有部分体系,两组分可以以任意比例互溶,这种固溶体称为无限固溶体或连续固溶体。
    (4)在固溶度范围之内,杂质含量可以改变,固溶体的结构不会变化,只有单相固溶体;当超出固溶极限后,就会有第2相存在,而不是单相固溶体了。
固溶体可以在晶体生长过程中生成、从溶液中或熔体中析晶时形成、金属冶炼过程中生成、以及烧结中原子扩散而形成。生成固溶体的例子不胜枚举,如Al2O3晶体中溶入一定量Cr2O3生成了红宝石,可以用作饰品及激光器;少量锌溶解于铜中生成a黄铜。
    固溶体中由于杂质质点占据正常格点位置或者占据间隙位置,破坏了基质晶体的质点排列的有序性,引起了晶体内周期性势场的畸变,从此角度出发,固溶体也属于点缺陷的范畴。
    固溶体在合金、无机固体材料中很常见,人们常常采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料,满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求。

5.5.2 固溶体的分类

    (1)按溶质质点在溶剂晶格中的位置来划分
    ① 置换型固溶体:溶质质点进入主晶相晶格后,占据原来晶体中正常格点位置,即将原来的质点看成被杂质质点所取代,所生成的固溶体称为置换型(或取代型)固溶体,见图5-31。无机固体材料中所形成的固溶体绝大部分属于这种类型,如金属氧化物中生成固溶体一般都是金属离子之间的置换,MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3,Cu-Zn系中的α和η固溶体等也都属此类。
     ② 间隙型固溶体:如果杂质质点进入主晶相晶格后,占据间隙的位置就生成间隙型(或填隙型)固溶体,见图5-32。对于无机固体材料,间隙固溶体一般发生在阳离子进入阴离子所形成的间隙中,但是能生成此类固溶体的物质并不多见;生成阴离子填隙型固溶体则更加困难,唯独萤石型物质除外。在合金中,此类固溶体较为常见,金属和H、B、C、N等元素形成的固溶体都是间隙式。
             

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