理论教育 P-T相图在新材料研发中的应用启示

P-T相图在新材料研发中的应用启示

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:实际上,这些相图还有在更广泛温度和压力下的平衡相。比如SiO2相图,材料学科常用其低压部分,而地质学领域则可能用到其高压部分。图8.14H2O的单元相图单元相图可给我们一个启示:新材料的合成可采取高压、超高压的措施来获得,比如我们早已熟悉的石墨合成金刚石。由上述可见,物质的p-T相图为我们获得某些新材料指明了一个方向,故人们把相图称作“地图”实不为过。

P-T相图在新材料研发中的应用启示

本节列出的单元相图只展示了物质在部分温度和压力下的平衡相,如图8.8是图8.10的一部分。实际上,这些相图还有在更广泛温度和压力下的平衡相。如果读者需要更详细的相图,请查阅专门资料或通过网络数据库来获得。在实际应用中,我们往往只用到其中一部分。比如SiO2相图,材料学科常用其低压部分,而地质学领域则可能用到其高压部分。

图8.13 Fe的单元相图(引自冯端,2002)

(www.daowen.com)

图8.14 H2O的单元相图(引自Kingery,2010)

单元相图可给我们一个启示:新材料的合成可采取高压、超高压的措施来获得,比如我们早已熟悉的石墨合成金刚石。如今,材料在高压下的一些性质已成为凝聚态物理和材料学科的一个重要研究方向。在高压作用下,材料中的原子堆积更紧密、配位数更高,这使得材料在高压下的结构与常温、常压下的结构有所不同,进而性能也有所差异。比如,Al2O3在常压且较低的温度下,其γ相是稳定的,随着温度升高会出现δ、θ、κ和α相。然而,如果增大压力,则会出现更多的平衡相。当压力增加至80 GPa且温度在1000K以上时,Al2O3转变成Rh2O3(Ⅱ)型结构。压力再增至200 GPa以上时,正交钙钛矿结构(Pbnm perovskite)的Al2O3则更稳定。

在高压下获得的材料,其性能也与常规材料有很大差异。比如,在地表深处35 km以下,压力达到1 GPa以上,在此静压力的作用下,岩石都要变软。本书编者的理论计算结果表明α-Al2O3在100 GPa的压力下具有一定的韧性。如果我们把这些在高温高压下的平衡相保持到常温常压(金刚石就是这样),我们就能利用这些具有不同性能的新材料。

由上述可见,物质的p-T相图(包括后续的多元相图)为我们获得某些新材料指明了一个方向,故人们把相图称作“地图”实不为过。

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