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本文以余氏固体与分子经验电子理论(EET)基础,提出平均离子模型,计算了纯ZO2、ZrO2-Y2O3二元掺杂体系和ZrO2-MgO二元掺杂体系的价电子结构,结合刘志林等建立的“固相合金中的C-Me偏聚理论”,从价电子结构分析得出以下结论:
纯ZrO2中c-ZrO2、t-ZrO2、m-ZO2强键骨架上的总共价电子对数分别为3.19184、3.45528、3.65935。按固相合金中的C-Me偏聚理论的思想推断氧化锆从高温到低温的相变顺序应为液相→c相→t相→m相,与实验现象完全一致。
在ZO2-Y2O3二元掺杂体系中:YO1.5含量在0~3%之间,室温下稳定存在的应是单斜m相固溶体;YO1.5含量在5.5%~11%之间,立方t相固溶体可以在室温下稳定存在;YO1.5含量大于13%时则立方c相固溶体可以在室温下稳定存在;推断与实验事实一致。
在ZrO2-MgO二元掺杂体系中:MgO含量小于2%时,m相固溶体是最稳定的相结构;MgO含量在2%~7%之间,t相固溶体较为稳定,但可能分解成更为稳定地混合多相结构;MgO含量大于8%时,c相固溶体变得稳定,在10%~12%之间c相稳定性最好;但当掺杂量大于13%后,c相固溶体的稳定性会急剧下降,变得容易分解;推断与实验事实也基本符合。
从电子结构计算结果推测的ZrO2相变顺序和掺杂稳定化的成分范围与实验事实均有良好的一致性,说明本文的理论方法可用于新的ZrO2稳定剂的寻找,且这一理论方法可扩展到其他陶瓷相变的研究中。