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1、№.1陕西科技大学学报Feb.2005Vol.23JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY·35·3文章编号:1000-5811(2005)01-0035-03XRD在固溶体固溶度测定中的应用吴建鹏,张波,王若兰(陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西咸阳712081)摘要:用X射线衍射分析的方法,通过精确测定点阵参数,对陶瓷颜料固溶体的固溶度进行了测定,并取得了满意的效果。结果表明:X射线衍射分析方法是一种测定固溶度的理想方法,这种方法还可以广泛用于无机材料固溶度的准确测定。关键词:固溶体;固溶度;点阵参数;X射线衍射+中图分类号:O766
2、.3文献标识码:A0引言利用XRD可以精确测定晶体物质的点阵参数。点阵参数是晶体结构最基本的参数,任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数,但当温度、受力状态、化学成分等任一条件发生变化时,都将引起点阵参数的相应变化。测定点阵参数的目的,是为了求得物质的物理参量以及研究溶入杂质后引起的性质变化和参数的关系等。点阵参数的测定在研究固态相变(如过饱和固溶体的分解)、确定固溶体的类型、〔1〕测定固溶体的固溶度、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。固溶体的固溶度对固溶体乃至整个结晶物质的性能有着很大的影响。如钢铁材料中的马氏体就是碳在α2Fe中的过饱和固溶体,随着碳在α2Fe中固溶度的增加,马氏
3、体形态由板条状过渡为针状和隐针状,其强度、硬度以及耐磨性等力学性能指标则依次增加,相应的脆性也跟着增加。在陶瓷色料的研究和生产〔2〕过程中,必须考虑离子的固溶问题,因为晶相中离子固溶度的大小不仅影响色料的颜色,而且还影响色〔3〕料的高温稳定性。对于同一化学成分具有多种物相的色料来说,用常规的化学分析和光谱分析方法是很难解决固溶体中固溶度的大小的,本文通过XRD法进行了尝试,取得了满意的效果。1测试原理若在某种纯元素或纯化合物中固溶了异类原子或异类化合物,因两种原子或两种化合物的原子半径不同,所以尽管其晶体结构不变,但点阵参数却发生了变化。XRD测定固溶体中的固溶度就是根据这一原理进行的。〔4
4、〕Vegard导出了点阵参数与原子浓度的关系定律,这个定律一般与实验结果相吻合,可用来做定量计算。如图1所示,纵轴表示点阵参数d(可测量),横轴表示B物质在A物质中的固溶度,设A原子(或A物质,下同)中固溶了B原子,A原子的点阵参数为a,B原子的点阵参数为b,由Vegard定律可算出固溶体中B原子的固溶度C(%)为:X-bC=×100%(1)a-b式中:X是固溶体的点阵参数。3收稿日期:2004-11-21作者简介:吴建鹏(1961-),男,陕西省武功县人,副教授,研究方向:无机非金属材料及X射线衍射分析·36·陕西科技大学学报第23卷图1Vegard关系曲线图27号样的XRD图谱实际测量中
5、,若无纯的A物质和B物质,则可选纯度尽可能高的物质分别测定其点阵参数a、b,再测得固溶体的点阵参数X,利用式(1)计算或根据图1作图(在纵轴上,从测量的固溶体的点阵参数X处做横轴平行线,则其与ab线的交点在横轴所对应的值即为待测固溶度值)即可求得固溶体中的固溶度C(%)。利用式(1)的计算结果和根据图1作图求得的结果是等效的。2样品制备及测试方法2.1样品制备将分析纯的Fe2O3与Cr2O3粉末,按表1的质量分数混合均匀,放入刚玉坩埚中,在1280℃保温2h烧成,冷却后磨成粉末。表1各样品中Fe2O3与Cr2O3的含量样品号1234567891011Fe2O31000908070605040
6、302010Cr2O301001020304050607080902.2测试方法先将表1中的样品进行物相分析,分析结果见图2,然后进行点阵参数的测定。Fe2O3和Cr2O3均属〔4〕六方晶系,其晶面间距、晶面指数和晶胞参数有下述关系:222-1/2dhkl=[4(h+hk+k)/(3a)2+l/c2](2)式中:h、k、l表示晶面指数,a、c表示晶胞参数,dhkl表示(hkl)晶面的晶面间距。分别选择固溶体的(110)和(300)晶面,求得其晶面间距d值,代入(2)式即可求得各自的点阵参数a,取平均值后,再通过式(1)或图1即可求得固溶度。实验条件:RigakuD/max22200PC型X射
7、线衍射仪,CuKα,40kV,40mA,DS2RS2SS为1°20.15mm21°,石墨单色器,扫描速度为5°/min,步长0.01°。3实验结果及分析由图2可见,7号样Fe2O3和Cr2O3按表1配比并按上述工艺处理之后形成的固溶体以(Fe,Cr)2O3晶相为主,另外还含有少量的Fe2O3和Cr2O3相,其它样品的物相组成与7号样类似,只是各组成相的相对含量略有不同。表2给出了XRD点阵参数的测试结果以及按
