当前课程知识点:Fundamentals of Inorganic Materials Science >  3 Solid solution >  3.2 Substitutional solid solution >  3.2 Substitutional solid solution

返回《Fundamentals of Inorganic Materials Science》慕课在线视频课程列表

3.2 Substitutional solid solution在线视频

下一节:3.2 Substitutional solid solution

返回《Fundamentals of Inorganic Materials Science》慕课在线视频列表

3.2 Substitutional solid solution课程教案、知识点、字幕

同学们好

上节课我们学习了固溶体的分类

按溶质原子在溶剂晶体中的位置

可分为置换型固溶体和间隙型固溶体

这节课

就给大家详细介绍置换型固溶体

首先

来看置换型固溶体的形成条件

和影响溶解度的因素

主要包括以下四个因素

第一个是离子大小

形成固溶体要求相互取代的

离子尺寸接近

离子尺寸越接近

越易形成固溶体

离子尺寸相差越大

溶解度越小

这是因为

溶质离子的溶入

会使晶体结构点阵发生局部畸变

两者尺寸相差越大

点阵畸变的程度也越大

畸变能越高

晶体结构的稳定性就越低

限制了溶质离子的进一步溶入

使得固溶体的溶解度减小

通常

以r1和r2分别代表

溶剂或溶质离子的半径

r1减r2再除以r1为离子半径的相对差

用Δr表示

denoted as Δr

当Δr<15%时

溶质与溶剂可形成连续固溶体

当15%

When 15%

溶质与溶剂只能形成有限固溶体

when Δr>30%

当Δr>30% 时

溶质与溶剂很难形成固溶体

或不能形成固溶体

而容易形成中间相或化合物

因此

Δr愈大则溶解度愈小

下一个影响因素晶体的结构类型

形成连续固溶体时

溶质与溶剂晶体结构类型相同或化学式类似

这是形成连续固溶体的必要条件

但不是充要条件

例如

NiO-MgO都具有面心立方结构

且Δr<15%

and the Δr<15%

因而可形成连续固溶体

MgO-CaO晶体结构类型也相同

butΔr>15%

但Δr超过15%

只能形成有限固溶体

PbZrO3和PbTiO3都属于ABO3结构

晶体的结构类型相同

锆和钛的Δr为15.28%

虽然超过15%

但是超出不多

再加上二者晶体结构类型相同

因而能形成连续固溶体

下面再给大家举两个例子

Fe2O3和Al2O3同为刚玉型结构

晶体结构类型相同

但Fe3+和Al3+的Δr为17.05%

超过15%

and Al3+ is 17.05%

因而只能形成有限固溶体

然而在石榴子石中的这两种物质

均为孤岛状结构 晶体结构类型相同

它们的晶胞比氧化物大八倍

结构的宽容性提高

此时Fe3+和Al3+能形成连续置换

由此

在判断能否形成连续置换固溶体时

需要综合考虑晶体结构类型和离子尺寸

我们再看第三个因素离子电价

离子价相同或离子价态和相同

可形成连续固溶体

比如

Al2O3和Cr2O3

离子电价相等的阳离子相互取代形成连续固溶体

硅酸盐晶体中

常发生复合离子的等价置换

Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]所形成的固溶体

Na+和Si4+同时被Ca2+和Al3取代

Al3+代替Si4+

同时有Ca2+代替Na+

保证取代离子价总和不变

因而形成连续固溶体

同理

ABO3型的复合钙钛矿型压电陶瓷材料

A位置或B位置可发生类似满足电中性的取代

形成一系列

具有特殊性能的复合钙钛矿型连续固溶体

电负性也影响固溶体的溶解度

通常电负性相近

有利于固溶体的形成

而电负性差别大

趋向生成化合物

达肯认为电负性差小于0.4的

一般具有很大的固溶度

这也是衡量固溶度大小的一条边界

以上几个影响因素都会影响固溶度

但并不是同时起作用

在某些条件下

有的因素是主要因素 有的不起主要作用

例如

Al3+和Si4+的Δr>45%

电价又不同

但Si-O Al-O键性和键长接近

仍能形成固溶体

在铝硅酸盐中

常见Al3+置换Si4+形成置换固溶体的现象

在掌握影响置换型固溶体溶解度因素的基础上

灵活判断不同结构形成固溶体的难易程度

对于置换型固溶体

当溶质离子置换正常结点处的溶剂离子时

可能发生不等价置换

必然会产生组分缺陷

即产生空位或有离子进入间隙位置

不同于热缺陷

置换型固溶体的组分缺陷

主要取决于掺杂量和固溶度

不等价离子化合物之间只能形成有限固溶体

由于他们的晶格类型和电价不同

它们之间的固溶度

一般仅为百分之几

下面来看置换固溶体组分缺陷的类型

高价离子置换低价离子时

该位置处带正电

为保持电中性

需要产生带负电荷的缺陷

可能是阳离子空位

也可能是阴离子间隙

比如

CaCl2溶解在KCl中

Ca2+置换K+

带正电荷

为保持电中性

可以是K+空位

也可以是氯离子进入间隙

而低价置换高价

该位置处带负电

为了保持电中性

需要产生带正电荷的缺陷

可以是阴离子空位或阳离子进入间隙位置

比如

CaO溶解在ZrO2中

Ca2+置换Zr2+带负电荷

为保持电中性

可以是氧离子空位

或一部分钙离子进入间隙

这个规律

在缺陷反应式的书写部分做过简单介绍

下面举两个实例说明

首先我们来看阳离子空位型

MgO和Al2O3能够形成镁铝尖晶石

但实际上

用焰熔法制备镁铝尖晶石

通常得不到纯的尖晶石 而生成“富Al尖晶石”

也就是说铝的含量较高

这是由于尖晶石形成过程中

Al2O3与尖晶石形成固溶体

尖晶石中一部分Mg2+被Al3+置换发生不等价置换

因而铝的含量较高

发生的缺陷反应式如下

接下来我们看阴离子空位型

CaO固溶到ZrO2中

Ca2+置换Zr2+带两个负电荷

产生带两个正电荷的氧空位

保持电中性

这个式子在实际生产中有什么用呢

我们在后面会学习到ZrO2有三种晶型

单斜

四方和立方

有单斜至四方发生晶型转变

伴随有很大的体积膨胀在7%~9%左右

因而不适合做耐高温材料

但是

如果在ZrO2中加入CaO

就会使ZrO2固定在高温的立方晶相

无晶型转变

成为一种极有价值的高温材料叫稳定化ZrO2

这节课我们就讲到这里

同学们再见

Fundamentals of Inorganic Materials Science课程列表:

1 Introduction

-Introduction

-introduction

-Test for chapter 1

2 Crystal Imperfection

-2.1 Type of defect

--2.1 Types of point defects

--2.1 Types of point defects

-2.2.1 The expression methods of point defects

--2.2.1 The expression methods of point defects

--2.2.1 The expression methods of point defects

-2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

--2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

--2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

-2.3 Calculation of thermal defect concentration

--2.3 Calculation of thermal defect concentration

--2.3 Calculation of thermal defect concentration

-2.4 Non-stoichiometric compounds

--2.4 Non-stoichiometric compounds

--2.4 Non-stoichiometric compounds

-Homework for chapter 2

-Test for chapter 2

3 Solid solution

-3.1 The classification of solid solutions

--3.1 The classification of solid solutions

--3.1 The classification of solid solutions

-3.2 Substitutional solid solution

--3.2 Substitutional solid solution

--3.2 Substitutional solid solution

-3.3 Interstitial solid solution

--3.3 Interstitial solid solution

--3.3 Interstitial solid solution

-3.4 The research method of solid solutions

--3.4 The research method of solid solutions

--3.4 The research method of solid solutions

-3.5 Questions for crystal imperfection and solid solution

--Questions for crystal imperfection and solid solution

-Homework for chapter 3

-Test for chapter 3

4 Melt and glass

-4.1 Melt structure

--4.1 Melt structure

--4.1 Melt structure

-4.2 The properties of the melt

--4.2.1 The properties of the melt_viscosity

--4.2.2 The properties of the melt_surface tension

--4.2 The properties of the melt

-4.3 The characteristics of glass

--4.3 The characteristics of glass

--4.3 The characteristics of glass

-4.4 The formation of glass

--4.4.1 The formation of glass_kinetics conditions

--4.4.2 The formation of glass_crystal chemical conditions

--4.4 The formation of glass

-4.5 The structure of glass

--4.5 The structure of glass

--4.5 The structure of glass

-4.6 The typical glass

--4.6 The typical glass

--4.6 The typical glass

-4.7 Questions for melt and glass

--Questions for melt and glass

-Test for chapter 4

5 Phase equilibrium

-5.1 Phase equilibrium in silicate systems

--5.1 Phase equilibrium in silicate system

--5.1 Phase equilibrium in silicate system

-5.2 One-component system phase diagram

--5.2 One-component system phase diagram

--5.2 One-component system phase diagram

-5.3 Applications of one-component diagrams

--5.3 Applications of one-component diagrams

--5.3 Applications of one-component diagrams

-5.4 Binary diagrams

--5.4.1 Binary diagram with eutectic point

--5.4.2 Binary system with a congruent melting compound and one with an incongruent melting compound

--5.4.3 Other five types of phase diagrams of binary systems

--5.4 Binary diagrams

-5.5 Applications of binary phase diagrams

--5.5 Applications of binary phase diagrams

--5.5 Applications of binary phase diagrams

-5.6 Ternary diagrams

--5.6.1 Representation of ternary system composition

--5.6.1 Representation of ternary system composition

--5.6.2 Three-dimensional state diagram and plane projection diagram of a simple ternary system

--5.6.2 Three-dimensional state diagram and plane projection diagram of a simple ternary system

--5.6.3 (1) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 (2) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 (3) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 Basic types of ternary phase diagrams

-5.7 Applications of ternary phase diagrams

--5.7 Applications of ternary phase diagrams

--5.7 Applications of ternary phase diagrams

-5.8 Research methods of phase equilibrium

--5.8 Research methods of phase equilibrium

--5.8 Research methods of phase equilibrium

-5.9 Questions for phase equilibria

--Questions for phase equilibria

-Homework for chaper 5

-Test for chapter 5

6 Diffusion

-6.1 Overview of diffusion

--6.1 Overview of diffusion

--6.1 Overview of diffusion

-6.2 The kinetic equations of diffusion

--6.2 The kinetic equations of diffusion

--6.2 The kinetic equations of diffusion

-6.3 The thermodynamic equation of diffusion

--6.3 The thermodynamic equation of diffusion

--6.3 The thermodynamic equation of diffusion

-6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

--6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

--6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

-6.5 Diffusion in solid

--6.5 Diffusion in solid

--6.5 Diffusion in solid

-6.6 Factors affecting diffusion

--6.6 Factors affecting diffusion

--6.6 Factors affecting diffusion

-6.7 Questions for diffusion

--Questions for diffusion

-Homework for chaper 6

-Test for chapter 6

7 Solid state reactions

-7.1 Overview of solid state reactions

--7.1 Overview of solid state reactions

--7.1 Overview of solid state reactions

-7.2 Kinetic equation of solid state reaction

--7.2 Kinetic equation of solid state reaction

-7.3 Factors affecting the solid state reaction

--7.3 Factors affecting the solid state reaction

--7.3 Factors affecting the solid state reaction

-Homeword for chapter 7

8 Phase transformation

-8.1 The categories of phase transformation

--8.1 The categories of phase transformation

--8.1 The categories of phase transformation

-8.2 Crystallization

--8.2.1 Crystallization thermodynamics

--8.2.2 Crystallization kinetics

--8.2 Crystallization

-8.3 Phase Separation of glass

--8.3 Phase separation of glass

--8.3 Phase separation of glass

-8.4 Questions for phase transformation

--Questions for phase transformation

-Test for chapter 8

9 Sintering

-9.1 Overview of sintering

--9.1 Overview of sintering

--9.1 Overview of sintering

-9.2 The driving forces and models of sintering

--9.2 The driving forces and models of sintering

--9.2 The driving forces and models of sintering

-9.3 Solid state sintering

--9.3.1 Evaporation-Condensation mass transfer

--9.3.2 Diffusion mass transfer

--9.3 Solid state sintering

-9.4 Liquid phase sintering

--9.4.1 Flow mass transfer

--9.4.2 Solution-Precipitation mass transfer

--9.4 Liquid phase sintering

-9.5 Grain growth and secondary recrystallization

--9.5.1 Grain growth

--9.5.2 Secondary recrystallization

--9.5 Grain growth and secondary recrystallization

-9.6 Factors affecting sintering

--9.6 Factors affecting sintering

--9.6 Factors affecting sintering

-9.7 Questions for sintering

--Questions for sintering

-Homework for chapter 9

-Test for chapter 9

3.2 Substitutional solid solution笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。