陳上達(dá)

摘要：隨著科技的高速發(fā)展，無(wú)機(jī)非金屬材料的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在這些材料的制備過(guò)程中，會(huì)因?yàn)橐恍┎淮_定因素的影響，在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，形成新的材料功能?？梢詫?duì)這些缺陷進(jìn)行深入的研究，以便在制備材料的過(guò)程中很好的進(jìn)行控制和有效的指導(dǎo)。本文主要探討利用缺陷化學(xué)原理指導(dǎo)無(wú)機(jī)非金屬材料的研究。

關(guān)鍵詞：缺陷化學(xué)；無(wú)機(jī)非金屬材料；研究實(shí)例

任何一種材料都具有一定的缺陷，無(wú)機(jī)非金屬材料也不例外，無(wú)機(jī)非金屬材料在制備的過(guò)程中，常常會(huì)受到許多外界因素的影響，如溫度、雜質(zhì)等，這就會(huì)使成品材料的內(nèi)部存在缺陷。利用缺陷化學(xué)理論對(duì)這些缺陷形成的原因和規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)于非金屬材料的制備具有巨大貢獻(xiàn)。

1 缺陷化學(xué)理論指導(dǎo)無(wú)機(jī)非金屬材料研究的意義

由于任何一種材料都具有一些缺陷，或存在雜質(zhì)，或具有孔洞，這對(duì)其性質(zhì)方面有很大的影響，有時(shí)甚至?xí)ㄟ^(guò)缺陷產(chǎn)生一種新的材料，所以對(duì)缺陷進(jìn)行研究就顯得十分有必要。缺陷化學(xué)主要是研究固體物質(zhì)包括材料之中的微觀(guān)或者主要是點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生原因，以及平衡缺陷，還要研究這些缺陷的存在對(duì)于材料本來(lái)的性質(zhì)有那些影響，對(duì)缺陷的種類(lèi)與濃度采取有效的措施進(jìn)行控制。

無(wú)機(jī)非金屬材料在生產(chǎn)和制備中，經(jīng)常有因素對(duì)其進(jìn)行影響從而在這些材料中產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，對(duì)其的性能產(chǎn)生改變，這些材料會(huì)因?yàn)檫@些缺陷而具有一些全新的功能。利用缺陷化學(xué)原理對(duì)固體材料進(jìn)行指導(dǎo)研究，可以利用缺陷反應(yīng)的化學(xué)方程式去平衡缺陷之間的反應(yīng)，因?yàn)楫?dāng)將點(diǎn)缺陷看成是化學(xué)組元，寫(xiě)出關(guān)于它們的特殊的方程式之后，可以發(fā)現(xiàn)其中存在著平衡常數(shù)[1]。通過(guò)對(duì)這些材料中的缺陷產(chǎn)生的規(guī)律進(jìn)行研究，就可以有效的控制材料中缺陷的種類(lèi)和缺陷的濃度，為無(wú)機(jī)非金屬材料的研究和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

2 利用缺陷化學(xué)原理指導(dǎo)功能性材料制備的方法

2.1某種缺陷的類(lèi)型識(shí)別，在ZrO2中參雜CaO從而形成固溶體

在ZrO2之中只需添加少量的CaO就可以形成固溶體，根據(jù)電中性對(duì)其的不同要求，可以形成不同類(lèi)型的固溶體。既能夠滿(mǎn)足電中性需要形成具有氧離子空位型的固溶體，也能夠形成滿(mǎn)足其另外需求的鈣離子填隙型的固溶體，這樣就可以根據(jù)這個(gè)寫(xiě)出來(lái)兩個(gè)關(guān)于固溶缺陷方面的方程式[2]。之后可以利用這兩個(gè)缺陷方程式來(lái)計(jì)算出他們的密度值，然后將通過(guò)計(jì)算的出來(lái)的密度值和實(shí)際測(cè)量的到的密度值兩者之間進(jìn)行比較，就可以得出在特定的條件下，哪個(gè)缺陷方程式的反應(yīng)能夠發(fā)生，正確的方程式是什么，從而確定固溶體的類(lèi)型。

2.2受氣氛影響的CoO研究

因?yàn)镃oO之中存在鈷離子因，它是變價(jià)的陽(yáng)離子，特別容易受到外界因素的影響。通常情況下，由于外界氣氛的觸動(dòng)，就會(huì)相應(yīng)的引發(fā)其內(nèi)部的化合價(jià)發(fā)生不同程度的改變，這樣在同一種化合物之中，陽(yáng)離子就同時(shí)存在了兩種化合價(jià)，這就在其內(nèi)部產(chǎn)生了點(diǎn)缺陷，也就是非化學(xué)計(jì)量的化合物。

如果外界當(dāng)中的氧分的壓力比較高，CoO就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，可能會(huì)使一些Co2+發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而變成Co3+，這樣就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的缺陷化學(xué)反應(yīng)，要想使這個(gè)缺陷反應(yīng)達(dá)到平衡，就得到了一個(gè)平衡常數(shù)。這個(gè)平衡常數(shù)由反應(yīng)自由的進(jìn)行控制，從而可以得到一系列的公式，能夠得出作圖直線(xiàn)斜率的數(shù)值。測(cè)定外界中存在的氧分壓和在CoO之中，鈷離子的空位擴(kuò)散的系數(shù)兩者之間的關(guān)系，實(shí)際測(cè)定得出的結(jié)果，其直線(xiàn)斜率的數(shù)值與之前作圖得出的數(shù)值相同[3]。這種情況恰恰說(shuō)明了，利用缺陷化學(xué)原理對(duì)其進(jìn)行理論上的分析，可以得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同的結(jié)論。

2.3缺陷化學(xué)原理研究外界氣氛影響TiO2的性能

TiO2這種材料很容易受到外界氣氛的影響，有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了這樣的結(jié)果，如果在外界氣氛是強(qiáng)氧化的情況下，對(duì)TiO2材料進(jìn)行燒結(jié)，所獲得的介質(zhì)材料是具有金黃色的，但是如果在外界氣氛是還原的情況下對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)，得到的介質(zhì)材料呈現(xiàn)的卻是灰黑色的，這是一種具有半導(dǎo)體的性質(zhì)的特殊材料，它其實(shí)是n型的半導(dǎo)體材料。如何解釋在不同的外界氣氛情況下，對(duì)材料燒結(jié)會(huì)得到完全不同性質(zhì)的材料，缺陷化學(xué)可以在其中發(fā)揮相應(yīng)的作用。

鈦離子其實(shí)本身具有兩種不同的價(jià)態(tài)，一種是四價(jià)鈦，另外一種是三價(jià)的鈦。如果TiO2處于缺少氧氣的狀態(tài)之下，就會(huì)可能出現(xiàn)這種情況，一些四價(jià)的鈦會(huì)轉(zhuǎn)化成三價(jià)的鈦，這個(gè)缺陷反應(yīng)可以簡(jiǎn)化成這樣表示：Oo=Vo+?O2↑+2e。根據(jù)質(zhì)量守恒定律對(duì)其進(jìn)行平衡時(shí)，保持晶體材料中的氧離子的濃度不發(fā)生改變。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氧空位的濃度和氧分壓的濎次方是呈現(xiàn)反比例增長(zhǎng)的。如果外界存在的氧壓力逐漸變大，那樣氧空位的濃度就會(huì)相應(yīng)的變小，所以在強(qiáng)氧化的氣氛下對(duì)TiO2進(jìn)行燒結(jié)，就得到了金黃色的介質(zhì)材料。而外界是還原的氣氛，氧壓力不足，就會(huì)得到灰黑色的半導(dǎo)體材料。

總結(jié)：

通過(guò)缺陷化學(xué)理論對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行研究，對(duì)于固溶體的研究和對(duì)非化學(xué)計(jì)量的化合物在研究方法上存在不同，但是都能夠通過(guò)理論分析得出印象缺陷產(chǎn)生和缺陷濃度的控制因素。在實(shí)際的研究過(guò)程中，利用缺陷化學(xué)理論進(jìn)行研究的方法多種多樣，本文只是通過(guò)幾個(gè)例子對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。利用缺陷化學(xué)進(jìn)行研究的前景還很大，相關(guān)的研究學(xué)者和專(zhuān)家應(yīng)該加大研究的力度，為無(wú)機(jī)非金屬材料的制備做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林楓，劉劍虹，王超會(huì).無(wú)機(jī)非金屬材料專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的整體優(yōu)化[J].高師理科學(xué)刊，2007（1）：96-98.

[2]宋曉嵐，楊華明，王海東，胡岳華，邱冠周.無(wú)機(jī)非金屬材料專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)體系優(yōu)化與實(shí)踐[J].理工高教研究，2007（2）：91-93.

[3]中國(guó)中材集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理于國(guó)波.加快新型無(wú)機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展

構(gòu)筑建材行業(yè)嶄新的未來(lái)[N].中國(guó)建材報(bào)，2013（12）：1-10.endprint