無序固溶體和有序固溶體是相對的。對於任何一種晶體材料,其性能總是決定於化學組成和結構兩個方面,特別是結構敏感的性質,如力學性能、磁學性能、電學性能、光學性能及擴散等。固溶體正是在組成和結構兩方面對材料的結構敏感性質起作用,因此,固溶體的性能往往和純組分有非常顯著的差別。
有序固溶體 - 有序固溶體和無序固溶體
有序<=>無序轉變的存在,為我們深入認識固溶體擴大了視野。從統計的觀點看,固溶體中溶質質點的分布是無序的。但是,如果從微觀結構去識別(參見圖5-48),只有在高溫和溶質濃度很低時完全無序分布才能存在。在一般情況下,固溶體總體上雖不存在有序結構,但局部範圍內質點的排列還是可以有規則的,常稱為“短程有序”,即在一個局部區域內,溶質質點分布是有序的。另外就是溶質在局部的範圍內聚集,其濃度可以大大超過平均濃度,這種狀態稱為溶質的偏聚(偏析、分凝)。固溶體中的偏聚和短程有序對固溶體的某些性能(如強度、脆性等)和相變時的成核都有一定的影響。圖5-49表示了Au-Cu固溶體中的短程有序。因此,深入研究固溶體中的微觀不均勻性,對於進一步認識固溶體及其性能和發展新材料是有一定意義的。
以上討論了固溶體及有關問題。對於任何一種晶體材料,其性能總是決定於化學組成和結構兩個方面,特別是結構敏感的性質,如力學性能、磁學性能、電學性能、光學性能及擴散等。固溶體正是在組成和結構兩方面對材料的結構敏感性質起作用,因此,固溶體的性能往往和純組分有非常顯著的差別。 一般地講,固溶體的強度隨著溶質質點的濃度增加而提高。這一特點在金屬材料中顯得很重要,溶質元素使固溶體強度和硬度升高的現象叫做固溶強化,它是提高金屬材料力學性能的重要手段之一。很多合金鋼就是採用在鋼中加入Mn、Si、W、Mo、Ni、V、Cr等元素形成固溶體來提高a-Fe的機械強度的。當然,強度提高的同時,往往使合金材料的脆性增大,塑性下降。對陶瓷材料而言,雜質往往偏析在晶界處,高溫燒結時擴散進入晶粒,在距晶界一定距離範圍內生成固溶體(具體固溶範圍視不同體系而存在很大差異),起到強化晶界的作用。 固溶體對電學、磁學、光學性能等的影響是很複雜的,如導電性能,各種不同的晶體類型其導電機理不同,因而,少量雜質的影響也不同。金屬晶體的導電主要是自由電子的運動,雜質使晶格扭曲及產生結構缺陷,從而阻撓了自由電子的運動,電阻率因而增加,導電能力下降。但是,在絕緣材料或半導體中,雜質及缺陷的存在,一般都能使導電能力大大增強。如金紅石(TiO2)是一種介電材料。但是,在還原氣氛中,部分Ti4+離子變成了Ti3+離子,同時產生氧離子空位,結果就從絕緣材料變成半導體材料。如果金紅石作為絕緣材料使用,上述過程應避免出現。但如果金紅石用作電阻材料使用,那么,這一過程就是必要的了。ZrO2中固溶Y2O3,生成氧空位,可用作快離子導體。 另外,雜質質點都會引起晶格的畸變,組分中的缺陷則有利於質點在晶體中的擴散。所以,利用固溶體將可加速固相反應,降低燒結溫度,還可以影響晶型轉變等,如前面提到的ZrO2中固溶CaO、Y2O3等均可起到穩定晶型的作用。 從以上一些簡單的敘述可以看出:固溶體是改善材料性能、發展新材料的重要手段。今後在一些有關課程中將會遇到一些具體實例,從中可以更進一步體會固溶體的意義。當然,事物總是具有兩面性的。有些情況下,生成固溶體是不希望的,因此,必須根據具體條件正確套用這些概念。