相圖與相平衡

氧化鎂-氧化鋁(尖晶石)系統(magnesia-alumina spinel system)

/ spin-ELL /

氧化鎂-氧化鋁系統是教科書上經典的、帶有規矩中間化合物的二元系統。它的兩個組元一端是方鎂石(MgO)、另一端是剛玉(Al2O3),正中央坐著化合物尖晶石 MgAl2O4——這種礦物給了整個尖晶石晶體結構家族其名,也正是承載磁性鐵氧體的那個結構。與莫來石不同,尖晶石乖巧得很:它一致熔化,在約 2105 度 C 的高溫,所以你可以把它當作單一純相熔化並結晶。

因為尖晶石一致熔化,此圖乾淨地分成兩個簡單的共晶半邊。在氧化鎂側,方鎂石(MgO)與尖晶石之間有一個共晶;在氧化鋁側,尖晶石與剛玉(Al2O3)之間有一個共晶。每個共晶都是不變點(三相,F = 0),坐落在遠低於尖晶石熔點之處。一個有用的微妙之處:尖晶石不是一條刀刃線,而是在高溫展開成一個固溶區,溶入額外的氧化鋁(以及較少量的額外氧化鎂),使其化學計量漂移——這是中間化合物同時也是固溶體的真實例子。

此系統撐起了所製最堅韌的一些耐火材料。尖晶石與鎂-尖晶石磚襯砌煉鋼盛桶與水泥迴轉窯,因為尖晶石抗腐蝕性爐渣、熔點高、又耐熱震。兩個共晶警告耐火材料製造者:在理想組成的任一側,第一滴液相會在何處出現。而透明尖晶石裝甲——能擋子彈的透明 MgAl2O4——正是同一化合物長成無孔的樣子,鮮明地提醒你:一張簡單二元相圖那不起眼的中點,可以是一種高性能工程陶瓷。

用鎂-尖晶石磚襯砌鋼水盛桶。尖晶石(MgAl2O4)坐在相圖的中點,約 2105 度 C 一致熔化,兩側各有遠低於它的共晶。那高而乾淨的熔化再加上抗爐渣,正是這個位於簡單二元中央的樸素化合物成為頂級高溫耐火材料的原因。

MgO-Al2O3:中央是一致熔化的尖晶石(MgAl2O4),兩側各有方鎂石共晶與剛玉共晶。

尖晶石是一致熔化的化合物(對照莫來石),這就是它為何把自己的二元切成兩個整齊的共晶子系統。但別把它讀成固定化學計量:在高溫它溶入過剩的氧化鋁,成為一個寬廣的固溶體。

又称
MgO-Al2O3 systemMgAl2O4 systemMgO-Al2O3 系統