第三章_準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)與材料性能

1、準(zhǔn)晶聚合物（quasicrystallinepolymer）結(jié)構(gòu)使得新一代基于光的通信技術(shù)成為可能目前，在光子電路中，光不能進(jìn)行銳角的轉(zhuǎn)折，準(zhǔn)晶點(diǎn)陣技術(shù)可使光在電路中傳播時(shí)產(chǎn)生銳角轉(zhuǎn)折，這將推動(dòng)高速通信和計(jì)算設(shè)備的發(fā)展。普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了制造準(zhǔn)晶聚合物結(jié)構(gòu)的方法，代表了光子學(xué)潛在的重大進(jìn)步。此結(jié)構(gòu)能夠控制光的傳播，使得光子通信系統(tǒng)成為可能。準(zhǔn)晶：20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研究中的一次突破郭可信（1923-2006）中國(guó)科學(xué)院院士1984/85年：發(fā)現(xiàn)五重旋轉(zhuǎn)和Ti-V-Ni二十面體準(zhǔn)晶；1987年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)；1987年：首先發(fā)現(xiàn)八重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶；1988年：首先發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的Al

2、-Cu-Co十重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶及一維準(zhǔn)晶；1997-2000年：獲得準(zhǔn)晶覆蓋理論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。準(zhǔn)晶研究電子衍射圖在晶體學(xué)中的應(yīng)用高分辨電子顯微學(xué)準(zhǔn)晶第三章一、準(zhǔn)晶及分類二、準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)模型三、準(zhǔn)晶的形成四、準(zhǔn)晶的性能五、準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用第三章準(zhǔn)晶材料準(zhǔn)晶：具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的固體，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重復(fù)，其對(duì)稱要素包含與晶體空間格子不相容的對(duì)稱。直至20世紀(jì)80年代，人們把固體材料分為兩大類：晶體，非晶體。德國(guó)科學(xué)家在1850年就總結(jié)出晶體的平移周期性，即晶體中原子的三維周期排列方式可以概括為14種空間點(diǎn)陣。受這種平移對(duì)稱約束、晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱只能有1、2、3、4、6等5種旋

3、轉(zhuǎn)鈾。這種限制就像生活中不能用正五角形拼塊鋪滿地面一樣，晶體中原子排列是不允許出現(xiàn)5次或6次以上的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的。第三章準(zhǔn)晶材料準(zhǔn)晶體發(fā)現(xiàn)：20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研究中的一次突破。84年底，D.Shechtman等人，在急冷凝固Al Mn合金中發(fā)現(xiàn)具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱但并無(wú)無(wú)平移周期性的合金相。準(zhǔn)晶體（Quasicrystal）無(wú)平移同期性但有位置序的晶體。郭可信等在對(duì)高溫合金中的四面體密堆合金相的高分辨電子顯微鏡觀察到：84年夏發(fā)現(xiàn)五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的電子衍射圖，85年初在Ti2Ni合金中發(fā)現(xiàn)了二十面體準(zhǔn)晶。85年以來(lái)先后發(fā)現(xiàn)了八次、十次對(duì)稱準(zhǔn)晶以及一維和立方準(zhǔn)晶。二維圖形密排高分辨像和電子衍射圖表明：

4、不同于常規(guī)晶態(tài)材料，是一種新型結(jié)構(gòu)。有人提出：5次對(duì)稱軸電子衍射圖是由高次孿晶產(chǎn)生的。大量實(shí)驗(yàn)證明，5次軸一種新型結(jié)構(gòu)的特征；而且在一些材料中還觀察到8、10、12次軸等經(jīng)典晶體學(xué)中不出現(xiàn)的高次軸。從掠射角度看這張高分辨像時(shí)，相鄰面之間的距離不是周期性的，面之間的平均距離與黃 金 分割有關(guān)。不同于非晶態(tài)材料和傳統(tǒng)晶態(tài)材料，準(zhǔn)晶。Al2O3非晶態(tài)材料：長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序結(jié)構(gòu)。晶態(tài)材料：長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。存在1，2，3，4和6次旋轉(zhuǎn)軸和倒轉(zhuǎn)軸。按照經(jīng)典晶體學(xué)原理，晶體中不可能存在5次軸及高于6次的對(duì)稱軸。準(zhǔn)晶：不具有平移對(duì)稱性，卻具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的新型結(jié)構(gòu)材料。5、8、10、12次對(duì)稱軸石墨玻璃準(zhǔn)晶材料

5、的研究意義1、對(duì)傳統(tǒng)晶體學(xué)的補(bǔ)充和發(fā)展2、在固體物理學(xué)及材料科學(xué)中具有重要意義3、開(kāi)拓了礦物晶體結(jié)構(gòu)研究的新領(lǐng)域第一節(jié)準(zhǔn)晶分類準(zhǔn)晶的分類方法較多： 準(zhǔn)晶原子排列準(zhǔn)周期性（準(zhǔn)晶準(zhǔn)周期維數(shù)） 準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定性 準(zhǔn)晶旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸次 構(gòu)成準(zhǔn)晶合金的合金系等一、準(zhǔn)晶準(zhǔn)周期維數(shù)分類（1）三維準(zhǔn)晶（最多）原子結(jié)構(gòu)在三維空間場(chǎng)作準(zhǔn)周期排列。三維準(zhǔn)晶主要為二十面體型，包含6個(gè)5次對(duì)稱軸、10個(gè)3次對(duì)稱軸和15個(gè)2次對(duì)稱軸。（2）二維準(zhǔn)晶原子結(jié)構(gòu)是在主軸方向上呈周期性平移對(duì)稱，而在與該主軸正交的平面上呈準(zhǔn)周期排列。二維準(zhǔn)晶包括8次、10次和12次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶。（3）一維準(zhǔn)晶原子結(jié)構(gòu)是具有周期性平移對(duì)稱的二維晶層在其

6、法線方向上呈準(zhǔn)周期堆垛。二、準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定性分類（1）亞穩(wěn)準(zhǔn)晶快速凝固法制備以熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)存在，溫度升高時(shí)，系統(tǒng)自由能降低到最小值，發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變。晶化溫度和晶化激活能越高，準(zhǔn)晶的穩(wěn)定性也越高。（2）穩(wěn)定準(zhǔn)晶常規(guī)鑄造及固態(tài)熱處理以熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)存在，在較高溫度能穩(wěn)定存在。最早提出準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定存在問(wèn)題的是Widom等。 87年Tsai等在實(shí)驗(yàn)中觀察到相當(dāng)完整的穩(wěn)定準(zhǔn)晶，證實(shí)了準(zhǔn)晶的確能以穩(wěn)定相存在。晶體：平行六面體作為結(jié)構(gòu)基胞，用這個(gè)平行六面體可以布滿整個(gè)空間，晶體的陣點(diǎn)構(gòu)成有規(guī)則的三維周期點(diǎn)陣，晶體具有平移對(duì)稱性。單晶的電子衍射圖為斑點(diǎn)衍射圖，衍射斑點(diǎn)分布在平行四邊形網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)上。非晶：長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)

7、構(gòu)，電子衍射圖：彌散的暈環(huán)。準(zhǔn)晶電子衍射圖：斑點(diǎn)衍射圖，衍射斑點(diǎn)分布規(guī)律有規(guī)律，可能存在基本結(jié)構(gòu)單元。準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，準(zhǔn)晶由一定的結(jié)構(gòu)單元，以一定方式連接而成；結(jié)構(gòu)單元的連接，要使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有準(zhǔn)周期性，又要填滿整個(gè)空間。第二節(jié)準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)模型一、一維準(zhǔn)晶模型費(fèi)波納斯(Fibonacci)鏈描述一維準(zhǔn)周期序幾何和準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在正方形網(wǎng)格中任選一正方形，通過(guò)正方形上兩個(gè)相對(duì)的格點(diǎn)分別作一條與底邊成角的斜線AA 和BB ，構(gòu)成一個(gè)條帶：任作一條平行線CC。通過(guò)AA 、 BB中各格點(diǎn)作CC垂線，與CC相交，相鄰交點(diǎn)間的距離分成長(zhǎng)線段L和短線段S兩類，長(zhǎng)、短線段之比L/S =，是一個(gè)無(wú)理數(shù)。CC上各線

8、段組成了費(fèi)波納斯鏈，其排列順序是：LSLSLLSLLSLSLLSLLSLSLLS序列中：L成單或成雙出現(xiàn)，S單個(gè)出現(xiàn)；任意項(xiàng)均為前兩項(xiàng)之和；相鄰項(xiàng)的比值逐漸逼近。當(dāng)n時(shí)：=（+1）/2=1.61803（黃金分割數(shù)）。二、二維準(zhǔn)晶模型彭羅斯拼圖1974牛津大學(xué)數(shù)學(xué)家羅杰彭羅斯（Roger Penrose） 二維晶體的晶胞是平行四邊形，同一平行四邊形能鋪滿整個(gè)平面。 5次準(zhǔn)晶具有5次軸，如果用一個(gè)具有5次對(duì)稱的正五邊形作為結(jié)構(gòu)基元來(lái)鋪一個(gè)平面，必然存在空隙，正五邊形不是準(zhǔn)晶的基胞。 用兩種邊長(zhǎng)相等菱形為基胞，能布滿整個(gè)平面，得到具有5次對(duì)稱的彭羅斯圖， A菱形頂角：2/5，3/5， B菱形頂角：1

9、/5，4/5， AB兩種菱形沿準(zhǔn)晶5次軸方向拍攝的高分辨電子顯微像中節(jié)點(diǎn)的分布特點(diǎn)，與彭羅斯圖中的節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)相同，顯示了5次對(duì)稱性。2/51/51、二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)特征：二維彭羅斯圖彭羅斯圖中節(jié)點(diǎn)構(gòu)成二維點(diǎn)陣，陣點(diǎn)的分布沒(méi)有平移周期性，但具一定的規(guī)律。選擇一個(gè)由5個(gè)寬菱形組成的交點(diǎn)作為原點(diǎn)，菱形的邊作為基矢e1 e2，e3，e4，e5，基矢間夾角為72準(zhǔn)點(diǎn)陣中任意兩陣點(diǎn)之間的位矢r，可以寫成通過(guò)兩相鄰陣點(diǎn)的直線上存在大量的陣點(diǎn)，各相鄰陣點(diǎn)間的距離之比為：從彭羅斯圖可以看到，如果繞5次軸轉(zhuǎn)動(dòng)2/5 ，圖案又回復(fù)到原來(lái)的形狀，這就是準(zhǔn)晶體具有5次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的表現(xiàn)，同時(shí)這種圖案具有準(zhǔn)周期性的長(zhǎng)程序。n

10、i是整數(shù)晶體與準(zhǔn)晶的對(duì)稱軸與基轉(zhuǎn)角關(guān)系2、 二維準(zhǔn)晶87年首先在急冷的Cr5Ni3Si2和V15N10Si合金 中 觀 察 到 8 次 準(zhǔn) 晶 ， 隨 后 又 在 Mn4Si ，Mn82S15A13等合金中觀察到8次準(zhǔn)晶。8次準(zhǔn)晶準(zhǔn)周期面上由兩個(gè)結(jié)構(gòu)基元組成：正方形，45菱形。兩種結(jié)構(gòu)基元的準(zhǔn)周期排列，構(gòu)成8次準(zhǔn)點(diǎn)陣，這些正方形、菱形的邊都落在成45的8 個(gè)方向上，陣點(diǎn)排列成費(fèi)波納斯鏈，相鄰陣點(diǎn)間的距離之比的數(shù)列由1，組成。與45角有關(guān)。8次準(zhǔn)晶(a)及Mn(b)的結(jié)構(gòu)圖(b)中畫出了4個(gè)-Mn晶胞(a)(b)45的8個(gè)方向三、三維準(zhǔn)晶三維彭羅斯拼砌模型美國(guó)物理學(xué)家D. Levine等研究三維

11、彭羅斯拼圖和它的衍射花樣。采用每個(gè)面均為菱形的兩個(gè)六面體作為拼砌單元，按照一定的規(guī)則可以砌滿整個(gè)三維空間，構(gòu)成三維彭羅斯拼砌形體。 形體中包含了許多取向相同的二十面體，具有5次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。 模型由兩種結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)則堆砌而成的，沒(méi)有長(zhǎng)程平移對(duì)稱性，表現(xiàn)出準(zhǔn)周期性。 模型描述Al-過(guò)渡族準(zhǔn)晶合金相時(shí)，計(jì)算所得到的準(zhǔn)晶點(diǎn)陣常數(shù)與由衍射花樣求出的結(jié)果相當(dāng)吻合。 三維彭羅斯拼砌模型是當(dāng)前描述準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)較為成功的模型。Al-Mn20面體準(zhǔn)晶的完整準(zhǔn)晶模型的結(jié)構(gòu)單元（圖中原點(diǎn)為Mn原子，其他為A1原子）A1Mn尖菱體厚菱面體Al-Mn合金的準(zhǔn)晶相：由一系列取向相同、棱或頂相連接的20面體結(jié)構(gòu)單元非周期性

12、地連接而成，空隙由無(wú)序分布的原子填充。20面體12個(gè)頂點(diǎn)由Al原子占據(jù)，Mn原子位于20面體中心，Mn與A1原子之間有序鍵合，各20個(gè)面體的取向相同。模型計(jì)算出來(lái)的電子衍射圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致。A1Mn1、三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)特征： 三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)與20面體有關(guān)： 20面體有兩個(gè)點(diǎn)群：235點(diǎn)群；m35點(diǎn)群 235點(diǎn)群：6個(gè)5次軸、10個(gè)3次軸和15個(gè)2次軸； m35點(diǎn)群：6個(gè)5次倒轉(zhuǎn)軸、10個(gè)3次倒轉(zhuǎn)軸和15個(gè)2次軸； 15個(gè)對(duì)稱面和對(duì)稱中心。 兩個(gè)點(diǎn)群中相應(yīng)對(duì)稱軸之間的夾角相等。 結(jié)構(gòu)基元是兩個(gè)不同形狀、相同邊長(zhǎng)的菱面體。三維準(zhǔn)晶的陣點(diǎn)的排列是準(zhǔn)周期的：選擇6個(gè)5次軸方向的菱面體邊長(zhǎng)作為基矢e1 e

13、2，e3，e4 ，e5 ，e6 ，其中任意3個(gè)可構(gòu)成一個(gè)菱面體，共可組成20個(gè)菱面體，其中10個(gè)是取向互不相同的尖菱面體，另外10個(gè)是取向不同的厚菱面體。由上面6個(gè)矢量組成的三維準(zhǔn)點(diǎn)陣中任意兩陣點(diǎn)之間的位矢r可以表示為：式中，ni 是整數(shù)。三維準(zhǔn)點(diǎn)陣與二維彭羅斯圖類似不具有平移對(duì)稱性，相鄰兩線段之比也由下面的數(shù)組成：20面體準(zhǔn)點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣也是一個(gè)20面體準(zhǔn)點(diǎn)陣。因此，準(zhǔn)晶也產(chǎn)生明銳的斑點(diǎn)衍射。（TiV)2Ni， Ti2Fe，Mn3Ni2Si，A145Cr7Mg32(Al 、Zn)49 ，Cu4Cd3 ，A1-V ，Al-Mo 等合金中皆觀察到5次準(zhǔn)晶。1、準(zhǔn)晶與相應(yīng)的晶態(tài)相可以存在轉(zhuǎn)化關(guān)系準(zhǔn)

14、晶是一種亞穩(wěn)態(tài)，退火過(guò)程中準(zhǔn)晶就可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)。晶態(tài)相不可能自發(fā)轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)晶相。Al-Si合金20面體準(zhǔn)晶與晶態(tài)-AlMnSi共存時(shí)：相中3個(gè)正交100方向與準(zhǔn)晶中3個(gè)2次軸平行；相中的111方向與20面體準(zhǔn)晶的3次軸平行；相的530方向與準(zhǔn)晶的5次軸平行。晶態(tài)相與準(zhǔn)晶的局域結(jié)構(gòu)大致相同，都是(A1、Si)42Mn1220面體原子團(tuán)，只是排列方式不同：準(zhǔn)晶中的20面體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變的同時(shí)進(jìn)行周期性排列，準(zhǔn)晶就轉(zhuǎn)變成了晶態(tài)相。當(dāng)晶態(tài)相中的20面體進(jìn)行取向有序的準(zhǔn)周期排列時(shí)，就成了準(zhǔn)晶。四、準(zhǔn)晶特點(diǎn)準(zhǔn)晶晶化溫度為450870K。晶化激活能范圍：幾kJ/mol到幾百kJ/mol。兩類晶化機(jī)制：一是原

15、子擴(kuò)散引起的晶化，激活能與原子的激活能相當(dāng)；另一是激活能較高，晶化過(guò)程中無(wú)長(zhǎng)程擴(kuò)散，以塊狀轉(zhuǎn)變的方式進(jìn)行。 準(zhǔn)晶的晶化溫度Tx越高，準(zhǔn)晶越穩(wěn)定。二維準(zhǔn)晶的晶化溫度通常高于三維準(zhǔn)晶的晶化溫度。如：Al80Mn20二維準(zhǔn)晶Tx= 950K，三維準(zhǔn)晶的晶化溫度Tx= 638K，二維準(zhǔn)晶比三維準(zhǔn)晶更高穩(wěn)定性2、準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)受到組元含量影響，即使具有相同組元，但含量不同的準(zhǔn)晶，具有不同的結(jié)構(gòu)。例如A178Mn22準(zhǔn)晶的X射線衍射可以用20面體準(zhǔn)晶的數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定，而A186Mn14中的準(zhǔn)晶的低角衍射卻不能用同樣的數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定。Al86Mn14準(zhǔn)晶相在9.6GPa下轉(zhuǎn)變成A16Mn相，A186Mn22準(zhǔn)晶相在4.5

16、 GPa下卻轉(zhuǎn)變成相。說(shuō)明兩個(gè)準(zhǔn)晶相的結(jié)構(gòu)不同，從X射線衍射數(shù)據(jù)可以看出A186Mn14中的準(zhǔn)晶相中的結(jié)構(gòu)單元是通常的20面體原子團(tuán)，而A178Mn22準(zhǔn)晶中的結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)t可能是雙層20面體原子團(tuán)。3、目前已在下列合金體系中發(fā)現(xiàn)了20面體準(zhǔn)晶：Al-Mn， Al-Mn-Si， Al-Li-Cu，A1-Pd-Mn，Al-Cu-Fe，AI-Mg-Zn，Zn-Mn-RE，Ti-TM (Fe、Mn、Co、Ni)，Nb-Fe，V-Nb-Si，Pd-U-Si等。第三節(jié) 準(zhǔn)晶的形成 制備非晶態(tài)材料的方法都可用來(lái)制備準(zhǔn)晶，主要有：快速凝固法（主要制備準(zhǔn)晶方法）表面熔化法離子束混熔非晶態(tài)合金退火機(jī)械化學(xué)等方法 當(dāng)

17、熔體快速冷卻時(shí)，原子簇?zé)o規(guī)排列，便形成非晶態(tài)材料； 熔體冷卻得很慢，原子可以擴(kuò)散，原子簇之間可協(xié)調(diào)相互位置，使其具有長(zhǎng)程周期序，便成為晶態(tài)相。 只有當(dāng)冷凝速度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候，晶態(tài)相來(lái)不及成核，長(zhǎng)大，原子簇根據(jù)本身的對(duì)稱性，按一定的幾何規(guī)律，相互聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成準(zhǔn)晶。 準(zhǔn)晶形成最佳冷卻速度：Al-Mn合金，當(dāng)冷卻速率l06K/s時(shí)，形成20面體準(zhǔn)晶。1、冷凝速度2、材料成分對(duì)準(zhǔn)晶形成影響是很復(fù)雜的過(guò)程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：準(zhǔn)晶主要是A1、Mg、Ti基類合金，合金中加入適量的類金屬Si、B等元素有利于準(zhǔn)晶的形成，多元合金可以改善準(zhǔn)晶的形成能力。從晶態(tài)相的結(jié)構(gòu)，也可預(yù)測(cè)該合金快速冷卻時(shí)能否得到準(zhǔn)晶。如果平衡晶

18、態(tài)相結(jié)構(gòu)中含有大量20面配位多面體，這樣成分的合金就容易形成準(zhǔn)晶。 例如晶態(tài)(Ti、V)2Ni合金中含有約50%的20面體，則急冷(Ti、V)2Ni合金中，含有準(zhǔn)晶20面體相。3、二、三維準(zhǔn)晶形成條件與合金成分和冷卻速率有關(guān)：如：Al-Mn合金Al-(810)at%Mn合金：三維準(zhǔn)晶Al-(1420)at% Mn合金：二維準(zhǔn)晶Al-14at%Mn合金：冷卻速率約106K/s時(shí)形成20面體準(zhǔn)晶，而冷卻速率較小時(shí)，形成二維準(zhǔn)晶。第四節(jié) 準(zhǔn)晶的性能目前，尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)材料，最大的也只是幾mm直徑，故對(duì)準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面。但從已獲得的準(zhǔn)晶都很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料使用尚無(wú)前景。準(zhǔn)晶的

19、特殊結(jié)構(gòu)對(duì)其物理性能有明顯的影響：高電阻、低熱導(dǎo)率、低磨擦系數(shù)、良好的耐磨性和抗氧化性、高硬度、高溫塑性等優(yōu)異性能，使之適于作為表面防護(hù)涂層。一、準(zhǔn)晶是一種亞穩(wěn)相，結(jié)構(gòu)易發(fā)生弛豫 在加熱過(guò)程中原子位置會(huì)發(fā)生一定的變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生弛豫，弛豫熱一般為0.10. 2kJ/mol。由較高冷卻速率得到的準(zhǔn)晶的穩(wěn)定性較高，弛豫熱也較高，約達(dá)0.4kJ/mol。弛豫溫度與準(zhǔn)晶的成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在340-640K。準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)，性能也發(fā)生相應(yīng)的改變，例如Al84Mnl6準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫后彈性模量約增加1。1、密度低準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時(shí)的密度。比經(jīng)過(guò)退火后得到的相同成分晶態(tài)相的密度約低2%。由其原子排列的

20、規(guī)則性不如晶態(tài)緊密，但密度高于非晶態(tài)。二、物理性能2、導(dǎo)電性電阻率高晶體：電阻率最高只有數(shù)十cm；非晶體合金：電阻率最高也只有幾百cm,準(zhǔn)晶：電阻率非常高：如在液氦下Al2Cu2Li ：900cmAl2Cu2Ru： 10003000cmAl2Cu2Fe 系：130011000cmAl2Pd2Re系：達(dá)1cm 以上。準(zhǔn)晶合金的電阻率高，電阻溫度系數(shù)則甚小,其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。準(zhǔn)晶的電阻率對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性十分敏感，準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)越完整電阻率越高。此外, 準(zhǔn)晶的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻率隨溫度的升高而下降。3、導(dǎo)熱性準(zhǔn)晶材料的導(dǎo)熱性較差 1）與金屬材料（銀 429 、銅 401 、金 3

21、17、鋁 237 、鐵 80W/mK ）相比，準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率都很低，在室溫下準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率，要比普通的鋁合金低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與常見(jiàn)的隔熱材料ZrO2（3Wmk （20-400）相媲美。 2）準(zhǔn)晶材料具有負(fù)的溫度系數(shù)，隨著溫度升高而下降。熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容均隨著溫度升高而增大。 3）準(zhǔn)晶樣品質(zhì)量越好，結(jié)構(gòu)越完善，其導(dǎo)熱性能就越差。 4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜的準(zhǔn)晶類似相的導(dǎo)熱性能接近于準(zhǔn)晶。4、儲(chǔ)氫特性 具有四面體結(jié)構(gòu)的Laves 相，是很好的儲(chǔ)氫材料。而二十面體準(zhǔn)晶恰好擁有大量的四面體配位結(jié)構(gòu)，從理論上講，這類準(zhǔn)晶具備了儲(chǔ)氫能力。Krlton 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了Ti 系的二十面體準(zhǔn)晶相（I- Ti45Nt17

22、Zr38）確實(shí)具有很強(qiáng)的儲(chǔ)氫能力，每個(gè)金屬原子可達(dá)到吸收兩個(gè)氫原子的水平。5、光學(xué)特性：高質(zhì)量的準(zhǔn)晶樣品具有與絕緣體、半導(dǎo)體不同的光學(xué)特性。塊體的純準(zhǔn)晶或準(zhǔn)晶薄膜，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有約60%的反射率，比導(dǎo)電材料Al、Fe 要低，但優(yōu)于半導(dǎo)體材料Si和絕緣材料。4、磁性能較為關(guān)注但知之甚少研究Al2M n系準(zhǔn)晶合金的直流和交流磁化率與溫度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：磁化率與溫度之間遵守居里-外斯規(guī)律, 顯示負(fù)的居里溫度，并在約10K時(shí)存在自旋玻璃轉(zhuǎn)變。直流磁化率與溫度關(guān)系求出含M n為20at%的Al2Mn及Al2Mn2Si系平均有效磁矩為1. 4B。進(jìn)一步核磁共振、核比熱與磁比熱以及飽和磁矩研究發(fā)現(xiàn)，

23、Al2Mn系準(zhǔn)晶中并不是所有Mn原子都具有磁矩, 且具有磁矩的Mn原子其磁矩大小也各不相同，具有一定的分布。5、準(zhǔn)晶硬度高于相應(yīng)的晶態(tài)材料熔淬法制備A186Mn14 薄帶，貼輥面的準(zhǔn)晶的硬度達(dá)420kg/mm2，473K退火75h后，由于時(shí)效硬化，硬度增加到620kg/mm2。增加Al-Mn合金中的Mn含量，準(zhǔn)晶的硬度隨之增大。A178Mn22 準(zhǔn)晶在室溫的硬度超過(guò)700kg/mm2。準(zhǔn)晶雖然硬度高，耐磨性能并不一定好，Al-15wt%Mn-2wt%Fe準(zhǔn)晶的耐磨性比相應(yīng)的晶態(tài)差。6、 準(zhǔn)晶的韌性差：大多呈穿晶斷裂，故準(zhǔn)晶難于單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，但可以將韌性好的晶態(tài)材料作基體，以準(zhǔn)晶作彌散第

24、二相，可以提高材料的綜合性能。如果將準(zhǔn)晶的晶粒減小到納米尺寸后，準(zhǔn)晶的強(qiáng)度和韌性都有很大提高，如A1基合金中準(zhǔn)晶晶粒減小到納米量級(jí)后，材料中準(zhǔn)晶含量達(dá)70 -80，材料的強(qiáng)度和韌性都超過(guò)不含準(zhǔn)晶的同類合金。7、彌散強(qiáng)化特性 準(zhǔn)晶除了有高的硬度和彈性模量外，室溫下其塑性都很小（變形量小于100），這種室溫脆性，嚴(yán)重限制了準(zhǔn)晶的實(shí)際應(yīng)用。迄今為止，有關(guān)準(zhǔn)晶強(qiáng)化的應(yīng)用研究都是利用準(zhǔn)晶優(yōu)良的力學(xué)性能，將其作為一種強(qiáng)化組元去增強(qiáng)基體合金。準(zhǔn)晶強(qiáng)化基體材料的方式主要有以下兩種： （1）利用固態(tài)反應(yīng)使準(zhǔn)晶相以高溫強(qiáng)化相析出并彌散分布于基體中，從而達(dá)到強(qiáng)化效果。 （2）利用粉末冶金技術(shù)將準(zhǔn)晶顆粒（m 級(jí)）與金

25、屬粉混合后，在高溫下擠壓成由準(zhǔn)晶顆粒復(fù)合強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料。8、表面特性 氧化行為特性：絕大多數(shù)為鋁系準(zhǔn)晶。Al活潑元素極易氧化。研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，準(zhǔn)晶相表面的氧化現(xiàn)象明顯低于鋁合金和相近成分的晶體相。當(dāng)準(zhǔn)晶在室溫下長(zhǎng)期暴露在干燥空氣中時(shí)，氧化層平均厚度為2030A。在潮濕空氣和較高溫度下氧化層會(huì)進(jìn)一步加深（厚度約為6070A），并且化學(xué)成分也因此而變化，表層鋁的原子百分比隨之增大了（Al可達(dá)90wt%）。 不粘特性：準(zhǔn)晶材料的不粘性，實(shí)質(zhì)上是熱力學(xué)中潤(rùn)濕性的問(wèn)題，與準(zhǔn)晶的表面能有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)晶的最外層原子沒(méi)有重構(gòu)現(xiàn)象和準(zhǔn)晶在費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度很低造成其表面能很低。第五節(jié) 準(zhǔn)晶材

26、料的應(yīng)用 準(zhǔn)晶材料具有的一系列性能特點(diǎn)，使其從高技術(shù)領(lǐng)域如應(yīng)用于航空航天器機(jī)翼和機(jī)身的表面涂層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的熱障膜以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋯和鋯釔氧化物，到一般工業(yè)領(lǐng)域如用于輕合金表面涂層等， 都具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于準(zhǔn)晶的脆性問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了它在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。因此，目前準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用仍主要在準(zhǔn)晶薄膜（準(zhǔn)晶涂層）和準(zhǔn)晶復(fù)合材料兩方面。一、不粘鍋涂層 準(zhǔn)晶堅(jiān)硬與不粘的特性利用于烹飪器具的涂層，第一個(gè)準(zhǔn)晶應(yīng)用的專利不粘鍋涂層1988年法國(guó)。 不粘鍋涂層利用噴涂技術(shù)將Al2Cu2Fe準(zhǔn)晶顆粒沉積到基體上，形成均勻薄膜。由于同時(shí)加入了Cr等合金元素，因此薄膜表面能低，具有優(yōu)良的不粘性能，同時(shí)有優(yōu)良的耐蝕性、耐高溫性(可承受750高溫) 、高的硬度(是不銹鋼硬度的2倍以上)和高的耐磨性。 準(zhǔn)晶涂層導(dǎo)熱性差，升溫初期涂層猶如一層絕熱層，使底部積聚的熱量均勻地?cái)U(kuò)散至整個(gè)表面而不會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱，符合食品烹飪要求。 取代傳統(tǒng)的耐磨性差、使用壽命短的聚四氟乙烯涂層不粘鍋的趨勢(shì)。二、熱障涂層 與航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的隔熱材料鋯釔氧化物及其它隔熱材料相比，準(zhǔn)晶涂層具有密度低、硬度高、耐磨、耐蝕、耐氧化、使