非晶準晶結構課件

1、材料科學基礎非晶體與準晶結構第5章 非晶體與準晶結構 Amorphous and Quasicrystal Structure5.1 非晶態(tài)結構 (Amorphous structure)5.1.1 玻璃結構5.1.2 金屬玻璃（Metallic glass）5.1.3 高聚物的非晶態(tài)結構5.2準晶態(tài)結構 (Quasicrystal structure)5.2.1 準晶體的對稱性 5.2.2 準晶體的制備5.2.3 準晶的性能及應用晶體結構*3材料化學組成 結構（聚集態(tài)）晶態(tài)或非晶態(tài)。 金屬材料： 無機材料： 高分子： 晶態(tài)（體） 非晶態(tài)（體） 準晶態(tài)（體）非晶-準晶： 掌握要點？*4第1節(jié)

2、非晶態(tài)結構非晶態(tài)材料：原子不規(guī)則排列的固體材料的總稱。*5第1節(jié) 非晶態(tài)結構非晶態(tài)材料：原子不規(guī)則排列的固體材料的總稱。（1）在外觀上不具有特定的形狀，遠程無序，近程有序。 非晶態(tài)材料的短程有序范圍約為15埃（1.5nm）。 第1節(jié) 非晶態(tài)結構（2）非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)。非晶態(tài)自由能高，向平衡態(tài)轉變 的趨勢。從亞穩(wěn)態(tài)到平衡態(tài)須克服一定的勢壘，因此非晶態(tài)具有相對的穩(wěn)定性。（3）非晶態(tài)材料？（4）材料是晶態(tài)或非晶態(tài)與化學組成無關。相同(近)化學組成的物質由于制備條件的不同 可以形成晶態(tài)材料，也可以形成非晶態(tài)材料。 高分子： 無機材料： 金屬材料： 高分子非晶：樹脂、橡膠等。 無機非晶：硅酸鹽玻璃。

3、金屬非晶：金屬玻璃等。 高分子： 無機材料： 金屬材料： 晶體： 非晶體：準晶9（5）晶體與非晶態(tài)的鑒別方法： X射線衍射(X-Ray Diffraction)、中子散射、電子衍射；在透射電子顯微鏡（TEM）下直接觀察和鑒別。 晶體的特征：在特定角度有 尖銳的衍射峰。每個衍射峰 都與特定晶面相對應。石英晶體非晶態(tài)：無特定間距的晶面，無尖銳的衍射峰，出現(xiàn)寬化 平坦的衍射峰。5.1.1 玻璃結構 目前較好地解釋玻璃性質的假說晶子學說無規(guī)則網絡學說凝膠學說五角型對稱學說高分子學說(一）晶子學說觀點：(1) 玻璃是由無數(shù)“晶子”組成； 晶子是帶有晶格變形的有序區(qū)域；(2) 晶子分散在無定型介質中，晶子

4、到無定型部分 逐步過渡，兩者間無明顯的界限。前蘇聯(lián)學者列別捷夫于1921年提出。優(yōu)點：揭示了玻璃的微觀不均勻性和近程有序性。缺點：晶子的大小、化學組成、含量等 都未能得到合理的確定。（二）無規(guī)則網絡學說1932年德國查哈理阿森(Zachariasen)提出： 玻璃體由（氧）離子多面體以頂角相連的形式在三維空間形成網絡，排列是拓撲無序的；優(yōu)點：解釋各向同性/均勻性/性質變化的連續(xù)性等。 占據(jù)玻璃結構學說的主流。晶子學說/無規(guī)則網絡學說反映了玻璃結構的兩個方面晶子學說：以近程有序性為出發(fā)點。宏觀上： 無序/均勻/連續(xù)性這一點是各種學說均認同的無規(guī)則網絡學說：強調連續(xù)性、統(tǒng)計均勻性與無序性。微觀上：

5、有序/微不均勻/不連續(xù)性。遠程無序近程有序（三）玻璃結構的基本構成：玻璃中的氧化物分為三類： SiO2， Na2O2SiO2， Na2O Al2O3 2SiO2網絡形成體網絡變性體網絡中間體構成玻璃網絡的主體：SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、As2O3等。 Li2O、Na2O、K2O、CaO、SrO、BaO等的陽離子分布在網絡間隙，中和氧離子的負電荷，改變玻璃的性質。BeO、MgO、ZnO、Al2O3等，即可取代Si+（網絡形成體）,又可取代Na+等（網絡變性體）。 鈉硅酸鹽玻璃結構石英玻璃SiO2Na2O2SiO2X-每個多面體中非橋氧離子的平均數(shù)，Y-每個多面體中橋氧離子的平均數(shù)。

6、Z-每個多面體中氧離子的平均總數(shù)（4-硅酸鹽）；R-氧硅比。 硅酸鹽網絡結構特征參數(shù)：X、Y、Z、R*17*18（四）玻璃態(tài)的通性玻璃態(tài)：從熔體冷卻，室溫下保持熔體結構的固體狀態(tài)。原子：近程有序而遠程無序， 保持一定的形狀。各向同性： 折射率/導電性/硬度/熱膨脹系數(shù)等物理化學性質是各向同性的。 熱力學：向低能狀態(tài)轉變的趨勢，有析晶的可能。 動力學：常溫下玻璃的粘度很大， 結晶速率非常緩慢，長時間保持玻璃結構不變化。熱力學介(亞）穩(wěn)性玻璃體 熔體的轉變在一定溫度區(qū)間進行， 無固定的熔點。隨溫度升高，硬度下降， 粘度減小。狀態(tài)轉化的漸變性玻璃的特征溫度規(guī)定粘度時的溫度。玻璃化溫度(脆性溫度)粘度

7、=10121013PaS溫度Tg.。玻璃的軟化溫度粘度=109PaS的溫度Tf。性質變化的連續(xù)性與可逆性5.1.2 金屬玻璃(metal-glass;amorphous alloy，非晶態(tài)合金、玻璃態(tài)金屬)1960年，美國科學家皮杜威（Pol Duwez）和他的博士生首先發(fā)現(xiàn)某些液相貴金屬合金（如AuSi合金）在快速冷卻(106/S)情況下，可凝固成非晶態(tài)金屬。 這種非晶態(tài)金屬具有類似玻璃的某些結構特征，故稱為“金屬玻璃”?！坝薮赖暮辖稹?.1.2 金屬玻璃(metal-glass;amorphous alloy，非晶態(tài)合金、玻璃態(tài)金屬)很薄的帶狀材料，應用受到限制。 20世紀80年代，“塊體

8、金屬玻璃”問世（直徑mm 級），非晶態(tài)金屬的應用才有所推廣。金屬玻璃冷卻1.結構特點：*251. 結構特點：金屬熔體在瞬間冷凝，使金屬原子處在雜亂無章的狀態(tài)，來不及排列整齊就被“凍結”。2.金屬玻璃制作過程：（1）兼有金屬和玻璃的優(yōu)點，強度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，具有一定的韌性和剛性。（2）避免了晶間腐蝕，有良好的化學穩(wěn)定性。（3）良好的磁學性質。 金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。 美國、西歐稱之為“21世紀的材料”。 3.性能特點：*28*29強韌的原因（1） 制造高壓容器、火箭等關鍵部位的零部件、機械振蕩器、電流脈沖變壓器、磁泡器件等。（2）軟磁材料用以制造錄音、錄像的磁頭

9、、磁帶。（3）軍事上可以用于制造槍炮子彈、導彈和裝甲車等；（4）體育上，適合于許多體育用品。 高爾夫球桿，反彈力更大，球打得更遠；（5）電腦和手機的外殼上，輕便、美觀、堅硬。 4.應用：315.2 準晶態(tài)結構準晶：具有5，8，10，12次等對稱性而 無長程平移 對稱性的物質。丹尼爾-謝德曼（Daniel Shechtman）準晶體的發(fā)現(xiàn)1982年，以色列理工學院教授丹尼爾-謝德曼（Daniel Shechtman）在融化后急冷凝固的Al-Mn合金中發(fā)現(xiàn)了一種具有五重旋轉對稱性但并無平移周期性 的20面體奇特結構。被美國化學泰斗Pauling評為“準科學家”。謝德曼（Shechtman）憑借“在

10、準晶體領域內的發(fā)現(xiàn)”獨自獲得2011年諾貝爾化學獎。*32*33伊朗清真寺的建筑設計，類似準晶的排列 伊斯蘭藝術中的“girih”圖案 *341976年牛津大學數(shù)學家彭羅斯（Roger Penrose）旋轉對稱性： 六個5次軸、十個3次軸和十五個2次軸）。 足球，碳60，病毒 等。*35 Mg67Zn30Y3 合金準晶*36Ti-Ni準晶相，HRTEM高分辨電子像*37準晶體研究的意義五次對稱性和準晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學產生了強烈的沖擊，推翻了晶體學已建立的概念，對長程有序與周期性等價的基本概念提出了挑戰(zhàn)，國際晶體學聯(lián)合會建議把晶體定義為衍射圖譜呈現(xiàn)明確圖案的固體（any solid havi

11、ng an essentially discrete diffraction diagram）來代替原先的微觀空間呈現(xiàn)周期性結構的定義。*38*392 準晶的形成合金成分、晶體結構類型；并非所有的合金都能形成準晶。五次對稱性和準晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學產生了 強烈的沖擊，為微觀結構和新材料的研究開拓了 新領域。 控制冷速：過慢 結晶相； 過大 非晶態(tài)。形核 + 長大*403 準晶的性能 大塊準晶尚難以制成，對準晶的研究多集中在其 結構方面，對性能的研究少。 室溫下，準晶都很脆，尚不能作結構材料。 準晶的密度和熔點低于晶態(tài)， 原子排列規(guī)則性低于晶態(tài)； 準晶的比熱容比晶態(tài)大，電阻率甚高； 電阻溫度系數(shù)甚小。 表面不粘。小結非晶態(tài)材料：原子不規(guī)則排列的固體材料的總稱。（1）在外觀上不具有特定的形狀，遠程無序，短程有