間隙相

過渡族金屬能與H、B、C、N等原子半徑甚小的非金屬元素形成化合物，它們具有金屬的性質，很高的熔點和極高的硬度。當非金屬X和金屬M的原子半徑比值r_x/r_m<0.59時，化合物具有比較簡單的晶體結構，稱為間隙相。而r_x/r_m>0.59時，其結構很複雜。通常稱為間隙化合物。

基本介紹

• 中文名：間隙相
• 外文名：interstitial phase
• 含義：形成結構較簡單化合物
• 特徵：原子半徑比小於0.59

基本介紹

如果組元A、B之間的電負性差較大，且Δr≥41%（r_B/r_A≤0.59），就有可能形成這種中間相。間隙相多由過渡族金屬且和原子半徑比較小的非金屬元素B組成。在一個晶胞中，A、B原子數之比為一定值，故間隙相可用分子式表示，它們是AB、A₂B、A₄B、AB₂。

間隙相舉例

間隙相具有比較簡單的晶體結構。金屬原子占據結點位置，而非金屬原子則存在於金屬原子間隙中，例如間隙相VC為面心立方結構（純金屬釩具有體心立方結構），其中釩原子位於結點上，碳原子則位於面心立方結構的所有八面體間隙中，因而形成NaCl型晶體結構。多數間隙相可以形成以它為基的固溶體，其中包括非金屬原予缺位的缺位固溶體和金屬原子或非金屬原子被其他元素置換的置換固溶體，它們均有一定的成分範圍。許多結構相同的間隙相能夠相互溶解，形成無限固溶體，如TIC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、ZrC-NbC、VC-NbC等等。但是如果兩種間隙相中金屬原子的半徑差≥15%時，即使二者結構相同，相互間溶解度也很小，這也是原子尺寸因素起作用的，例如ZrC與VC、ZrN與VN就幾乎不能相溶，因為Zr的原子半徑比V大21%。

分類

過渡金屬元素與碳、氮、硼等元素所形成的間隙相包括各種碳化物、氮化物和硼化物等。半徑較小的碳、氮、硼等原子位於過渡金屬原子的間隙之中。間隙相的共同特點是具有高熔點、高硬度、高脆性，同時又具有某些金屬特性，如導電性和電阻隨溫度升高而增大等。

按其晶體結構特點可以分為三類：

1.八面體間隙相

這種間隙相的金屬原子具有簡單密排結構，它們的原子陣歹IJ大都屬於面心立方結構，部分是密排六方結構等。碳、氮等間隙原子處於最大間隙位置，即通常所稱為的八面體間隙（1/2，1/2，1/2）位置，所以這種間隙相亦稱為八面體間隙化合物。

2.三稜柱間隙相

這種間隙相亦是密排結構，其中間隙原子處於三稜柱間隙中。由於這種密排結構中金屬原子較小，八面體間隙太小而容不下間隙原子，但三稜柱型間隙較大，間隙原子就處於這種問隙位置。所以這種間隙相又稱為非八面體間隙化合物。這種間隙相有M₃C、M₇C₃、M₃B₂等。

3.複雜結構的間隙相

這種間隙相中金屬原子高度密排。這種間隙相有M₂₃C₆、M₆C等。在M₂₃C₆中，碳原子處於十面體間隙中，而在M₆C中，碳原子處於八面體間隙中。

熔點

在常見的耐高溫材料中，除了氧化物外，還有碳、氮和硼等的化合物。這些化合物，大都是間隙結構，金屬元素的質點為簡單的密堆積結構，非金屬元素填充在其空隙中。金屬的結構有八面體空隙和四面體空隙。若非金屬的原子半徑與金屬原子半徑的比r_X/r_M<0.41，則能填入四面體空隙。若0.597>r_X/r_M>0.41，則填入八面體空隙。這種間隙結構並不改變金屬原子原來的密堆積，故為簡單的填隙結構。這樣的結晶相稱為間隙相。當rX/rM>0.59時，因n較大，金屬原子已不能維持緊密堆積的結構，原子之間被非金屬質點撐開而膨脹，晶格發生畸變，形成複雜的填隙結構。

這些填隙結構的晶體，一般都具有較高的熔點和硬度，是重要的高溫結構材料和超硬材料，同時它們仍保持有一些明顯的金屬特性，如金屬光澤、能導電和極低溫度下的超導現象等，而延性較低。

一般認為間隙相中金屬原子之間仍存在金屬鍵，但對金屬與非金屬問的結合力性質至今還不十分清楚。

過渡金屬的氮化物、碳化物和硼化物中，因氮的原子半徑較小（0.72埃），大多形成簡單的填隙結構；碳原子半徑約為0.77埃，有些形成簡單填隙結構，有的形成複雜填隙結構；硼原子半徑較大（0.98埃），一般形成複雜的填隙結構，金屬和非金屬原子數的比值，可以是整數，但也可以形成複雜的填隙固熔體。

某些碳化物、氮化物和硼化物的結構和熔點見下表。

某些碳化物、氮化物和硼化物的結構和熔點