Al 2 O 3 系纳米固溶体粉末晶格常数与成分关系的理论和实验研究.docVIP

Al2O3系纳米固溶体粉末 晶格常数与成分关系的理论和实验研究 杨培刚1,2王霞1刘云1张淳3彭好军1谢浩文1刁一峰2刘丽萍2廖树帜( (1 低维量子结构与调控教育部重点实验室, 湖南师范大学物理系, 长沙 410081, 长沙 410126湖南师范大学数学与计算机科学学院, 长沙 410081) 要:氧化物固溶体晶格常数的变化是影响材料制备和应用的一个重要因素，从理论上预测氧化物固溶体晶格常数的变化规律是材料学家常用的从理论上研究物性参数的方法之一。我们推导出立方相氧化铝系纳米固溶体晶格常数与组成固溶体的氧化物的成分的关系，并用于Al2O3-MgO、Al2O3-Y2O3和Al2O3-MgO-Y2O3系纳米固溶体晶格常数的计算，发现和用湿化学方法制备的立方相氧化铝系纳米固溶体晶格常数实测的结果基本一致，误差分别不大于3.35%、1.25%和1.22%。 关键词: 晶格常数；理论；实验；Al2O3系纳米粉末 中图法分类号：O723 文献标识码： A 文章编号： 0简介 对金属来说，两种或多种成分的元素或物质混溶时到底是形成固溶体、中间相还是互不混溶，如形成固溶体则固溶度为多大、是填隙固溶体还是置换固溶体，形成固溶体以后，固溶体的晶型是否发生变化，如果晶型不发生变化则其晶格常数是否发生变化等一系列问题与很多因素有关[1-8]。对金属来说这方面的研究比较多，而对氧化物，特别是纳米氧化物的研究就很少，所以我们专门对Al2O3系纳米固溶体粉末的晶格常数与成分关系进行理论和实验研究，以便于我们在制作陶瓷材料时进行成分和结构控制。 二元氧化物固溶体的晶格常数与成分关系的理论和实验研究前人已对部分二元和三元作了研究，如ZrO2-Y2O3系列[9]、MgAl2O4-Al2O3 [10,11]、MgO- Al2O3-Ga2O3[12]、 ZrO2-(Fe2O3, Al2O3)[13]等。但他们的研究都不是以纳米粉为研究对象，我们在本文中选择纳米Al2O3系粉为研究对象进行理论和实验研究。 1理论模型 Ingel [9]和Aleksandrov等推导出了立方ZrO2固溶体的晶格常数与掺入的稳定化Y2O3含量之间的关系。 (-Al2O3相为立方相，根据Aleksandrov等的推导，我们也作出了相似的推导，得到立方(-Al2O3固溶体的晶格常数与掺杂量之间的关系 (1) 其中求和是对所有掺入氧化物求和，和为Al3+和O2-的离子半径，为第种掺入氧化物的金属离子半径，为第种掺入氧化物的摩尔百分含量，为每个氧化物中金属离子的个数，如Y2O3的为2，MgO为1，为一与晶型有关的常数。 在计算时，取0.132nm[14]，取0.057nm[14]，取0.078nm[14]，取0.106nm[14]。利用拟合方法计算出(1)式中的为0.726727。AlCl3(6H2O、MgCl2(6H2O、Y2O3、HCl、NH4OH作为原料(其中Y2O3溶于HCl中以获得YCl3)，用均相共沉淀方法、按文献[15]的工艺流程制作前躯粉，在600℃下热处理1小时得到氧化铝基纳米粉末。所得粉末用Siemens D-5000 X-ray衍射仪进行X-ray衍射分析(CuK() (XRD)以确定相结构和晶格常数。 图1和图2分别为Al2O3-MgO系、Al2O3-Y2O3系纳米粉末的XRD图。  图1 纳米(MgO)x(Al2O3)100-x粉末的XRD图 Fig. 1 XRD plots of (MgO)x(Al2O3)100-x powders corresponding with the change of MgO obtained at 500℃ hold for 1 hour.. 图2 纳米(Y2O3)x(Al2O3)100-x粉末的XRD图 Fig. 1 XRD plots of (Y2O3)x(Al2O3)100-x powders corresponding with the change of MgO obtained at 500℃ hold for 1 hour.. 从图上可以看出：在氧化镁和氧化钇掺入量分别不大于52mol%和9mol%时，所有Al2O3系纳米粉末样品都未观察到掺杂氧化物特征衍射峰，其结构为立方(-Al2O3相，并且掺杂样品的晶格常数都发生了微小变化，结果绘于图3和图4。晶格常数的变化是由于掺杂氧化物固溶于氧化铝相中而引起的。这说明在氧化镁和氧化钇掺入量不是很大时，氧化铝的结构不发生变化，仍为立方(相，且晶格常数随掺入量的变化而发生变化。 3模型在Al2O3系固溶体中的应用 3.1 在Al2O3-MgO系中的应用 将用我们推导的方程(1)计算Al2O3-MgO系固溶体的结果和实验结果绘于图3。从图中看