利用缺陷化学原理指导无机非金属材料的研究

    陈上达

    摘要：随着科技的高速发展，无机非金属材料的研究和应用越来越广泛。在这些材料的制备过程中，会因为一些不确定因素的影响，在材料内部产生缺陷，形成新的材料功能。可以对这些缺陷进行深入的研究，以便在制备材料的过程中很好的进行控制和有效的指导。本文主要探讨利用缺陷化学原理指导无机非金属材料的研究。

    关键词：缺陷化学；无机非金属材料；研究实例

    任何一种材料都具有一定的缺陷，无机非金属材料也不例外，无机非金属材料在制备的过程中，常常会受到许多外界因素的影响，如温度、杂质等，这就会使成品材料的内部存在缺陷。利用缺陷化学理论对这些缺陷形成的原因和规律进行分析，对于非金属材料的制备具有巨大贡献。

    1 缺陷化学理论指导无机非金属材料研究的意义

    由于任何一种材料都具有一些缺陷，或存在杂质，或具有孔洞，这对其性质方面有很大的影响，有时甚至会通过缺陷产生一种新的材料，所以对缺陷进行研究就显得十分有必要。缺陷化学主要是研究固体物质包括材料之中的微观或者主要是点缺陷的产生原因，以及平衡缺陷，还要研究这些缺陷的存在对于材料本来的性质有那些影响，对缺陷的种类与浓度采取有效的措施进行控制。

    无机非金属材料在生产和制备中，经常有因素对其进行影响从而在这些材料中产生点缺陷，对其的性能产生改变，这些材料会因为这些缺陷而具有一些全新的功能。利用缺陷化学原理对固体材料进行指导研究，可以利用缺陷反应的化学方程式去平衡缺陷之间的反应，因为当将点缺陷看成是化学组元，写出关于它们的特殊的方程式之后，可以发现其中存在着平衡常数[1]。通过对这些材料中的缺陷产生的规律进行研究，就可以有效的控制材料中缺陷的种类和缺陷的浓度，为无机非金属材料的研究和应用提供理论指导。

    2 利用缺陷化学原理指导功能性材料制备的方法

    2.1某种缺陷的类型识别，在ZrO2中参杂CaO从而形成固溶体

    在ZrO2之中只需添加少量的CaO就可以形成固溶体，根据电中性对其的不同要求，可以形成不同类型的固溶体。既能够满足电中性需要形成具有氧离子空位型的固溶体，也能够形成满足其另外需求的钙离子填隙型的固溶体，这样就可以根据这个写出来两个关于固溶缺陷方面的方程式[2]。之后可以利用这两个缺陷方程式来计算出他们的密度值，然后将通过计算的出来的密度值和实际测量的到的密度值两者之间进行比较，就可以得出在特定的条件下，哪个缺陷方程式的反应能够发生，正确的方程式是什么，从而确定固溶体的类型。

    2.2受气氛影响的CoO研究

    因为CoO之中存在钴离子因，它是变价的阳离子，特别容易受到外界因素的影响。通常情况下，由于外界气氛的触动，就会相应的引发其内部的化合价发生不同程度的改变，这样在同一种化合物之中，阳离子就同时存在了两种化合价，这就在其内部产生了点缺陷，也就是非化学计量的化合物。

    如果外界当中的氧分的压力比较高，CoO就会发生反应，可能会使一些Co2+发生转变，从而变成Co3+，这样就会发生相应的缺陷化学反应，要想使这个缺陷反应达到平衡，就得到了一个平衡常数。这个平衡常数由反应自由的进行控制，从而可以得到一系列的公式，能够得出作图直线斜率的数值。测定外界中存在的氧分压和在CoO之中，钴离子的空位扩散的系数两者之间的关系，实际测定得出的结果，其直线斜率的数值与之前作图得出的数值相同[3]。这种情况恰恰说明了，利用缺陷化学原理对其进行理论上的分析，可以得到与实验结果相同的结论。

    2.3缺陷化学原理研究外界气氛影响TiO2的性能

    TiO2这种材料很容易受到外界气氛的影响，有专家学者对其进行了实验，通过实验得到了这样的结果，如果在外界气氛是强氧化的情况下，对TiO2材料进行烧结，所获得的介质材料是具有金黄色的，但是如果在外界气氛是还原的情况下对材料进行烧结，得到的介质材料呈现的却是灰黑色的，这是一种具有半导体的性质的特殊材料，它其实是n型的半导体材料。如何解释在不同的外界气氛情况下，对材料烧结会得到完全不同性质的材料，缺陷化学可以在其中发挥相应的作用。

    钛离子其实本身具有两种不同的价态，一种是四价钛，另外一种是三价的钛。如果TiO2处于缺少氧气的状态之下，就会可能出现这种情况，一些四价的钛会转化成三价的钛，这个缺陷反应可以简化成这样表示：Oo=Vo+?O2↑+2e。根据质量守恒定律对其进行平衡时，保持晶体材料中的氧离子的浓度不发生改变。在这个过程中发现氧空位的浓度和氧分压的濎次方是呈现反比例增长的。如果外界存在的氧压力逐渐变大，那样氧空位的浓度就会相应的变小，所以在强氧化的气氛下对TiO2进行烧结，就得到了金黄色的介质材料。而外界是还原的气氛，氧压力不足，就会得到灰黑色的半导体材料。

    总结：

    通过缺陷化学理论对无机非金属材料进行研究，对于固溶体的研究和对非化学计量的化合物在研究方法上存在不同，但是都能够通过理论分析得出印象缺陷产生和缺陷浓度的控制因素。在实际的研究过程中，利用缺陷化学理论进行研究的方法多种多样，本文只是通过几个例子对其进行简要的分析。利用缺陷化学进行研究的前景还很大，相关的研究学者和专家应该加大研究的力度，为无机非金属材料的制备做出贡献。

    参考文献：

    [1]林枫，刘剑虹，王超会.无机非金属材料专业实验教学体系的整体优化[J].高师理科学刊，2007（1）：96-98.

    [2]宋晓岚，杨华明，王海东，胡岳华，邱冠周.无机非金属材料专业创新人才培养的教学体系优化与实践[J].理工高教研究，2007（2）：91-93.

    [3]中国中材集团有限公司副总经理于国波.加快新型无机非金属材料产业发展

    构筑建材行业崭新的未来[N].中国建材报，2013（12）：1-10.