非晶準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)課件

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

2、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)（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(zhuǎn)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(xué)組成無關(guān)。相同(近)化學(xué)組成的物質(zhì)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(jī)材料： 金屬材料： 高分子非晶：樹脂、橡膠等。 無機(jī)非晶：硅酸鹽玻璃。

3、金屬非晶：金屬玻璃等。 高分子： 無機(jī)材料： 金屬材料： 晶體： 非晶體：準(zhǔn)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(yīng)。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(jié)構(gòu) 目前較好地解釋玻璃性質(zhì)的假說晶子學(xué)說無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說凝膠學(xué)說五角型對稱學(xué)說高分子學(xué)說(一）晶子學(xué)說觀點(diǎn)：(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(zhì)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(xué)者列別捷夫于1921年提出。優(yōu)點(diǎn)：揭示了玻璃的微觀不均勻性和近程有序性。缺點(diǎn)：晶子的大小、化學(xué)組成、含量等 都未能得到合理的確定。（二）無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)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(wǎng)絡(luò)，排列是拓?fù)錈o序的；優(yōu)點(diǎn)：解釋各向同性/均勻性/性質(zhì)變化的連續(xù)性等。 占據(jù)玻璃結(jié)構(gòu)學(xué)說的主流。晶子學(xué)說/無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說反映了玻璃結(jié)構(gòu)的兩個方面晶子學(xué)說：以近程有序性為出發(fā)點(diǎn)。宏觀上： 無序/均勻/連續(xù)性這一點(diǎn)是各種學(xué)說均認(rèn)同的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：強(qiáng)調(diào)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(yuǎn)程無序近程有序（三）玻璃結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成：玻璃中的氧化物分為三類： SiO2， Na2O2SiO2， Na2O Al2O3 2SiO2網(wǎng)絡(luò)形成體網(wǎng)絡(luò)變性體網(wǎng)絡(luò)中間體構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的主體：SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、As2O3等。 Li2O、Na2O、K2O、CaO、SrO、BaO等的陽離子分布在網(wǎng)絡(luò)間隙，中和氧離子的負(fù)電荷，改變玻璃的性質(zhì)。BeO、MgO、ZnO、Al2O3等，即可取代Si+（網(wǎng)絡(luò)形成體）,又可取代Na+等（網(wǎng)絡(luò)變性體）。 鈉硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的固體狀態(tài)。原子：近程有序而遠(yuǎn)程無序， 保持一定的形狀。各向同性： 折射率/導(dǎo)電性/硬度/熱膨脹系數(shù)等物理化學(xué)性質(zhì)是各向同性的。 熱力學(xué)：向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，有析晶的可能。 動力學(xué)：常溫下玻璃的粘度很大， 結(jié)晶速率非常緩慢，長時間保持玻璃結(jié)構(gòu)不變化。熱力學(xué)介(亞）穩(wěn)性玻璃體 熔體的轉(zhuǎn)變在一定溫度區(qū)間進(jìn)行， 無固定的熔點(diǎn)。隨溫度升高，硬度下降， 粘度減小。狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhì)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(xué)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(jié)構(gòu)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(yīng)用受到限制。 20世紀(jì)80年代，“塊體

8、金屬玻璃”問世（直徑mm 級），非晶態(tài)金屬的應(yīng)用才有所推廣。金屬玻璃冷卻1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：*251. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(jié)”。2.金屬玻璃制作過程：（1）兼有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性。（3）良好的磁學(xué)性質(zhì)。 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(jì)的材料”。 3.性能特點(diǎn)：*28*29強(qiáng)韌的原因（1） 制造高壓容器、火箭等關(guān)鍵部位的零部件、機(jī)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(dǎo)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(yuǎn)；（5）電腦和手機(jī)的外殼上，輕便、美觀、堅硬。 4.應(yīng)用：315.2 準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶：具有5，8，10，12次等對稱性而 無長程平移 對稱性的物質(zhì)。丹尼爾-謝德曼（Daniel Shechtman）準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)1982年，以色列理工學(xué)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(zhuǎn)對稱性但并無平移周期性 的20面體奇特結(jié)構(gòu)。被美國化學(xué)泰斗Pauling評為“準(zhǔn)科學(xué)家”。謝德曼（Shechtman）憑借“在

10、準(zhǔn)晶體領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)現(xiàn)”獨(dú)自獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎。*32*33伊朗清真寺的建筑設(shè)計，類似準(zhǔn)晶的排列 伊斯蘭藝術(shù)中的“girih”圖案 *341976年牛津大學(xué)數(shù)學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose）旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)晶*36Ti-Ni準(zhǔn)晶相，HRTEM高分辨電子像*37準(zhǔn)晶體研究的意義五次對稱性和準(zhǔn)晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，推翻了晶體學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)的定義。*38*392 準(zhǔn)晶的形成合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型；并非所有的合金都能形成準(zhǔn)晶。五次對稱性和準(zhǔn)晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學(xué)產(chǎn)生了 強(qiáng)烈的沖擊，為微觀結(jié)構(gòu)和新材料的研究開拓了 新領(lǐng)域。 控制冷速：過慢 結(jié)晶相； 過大 非晶態(tài)。形核 + 長大*403 準(zhǔn)晶的性能 大塊準(zhǔn)晶尚難以制成，對準(zhǔn)晶的研究多集中在其 結(jié)構(gòu)方面，對性能的研究少。 室溫下，準(zhǔn)晶都很脆，尚不能作結(jié)構(gòu)材料。 準(zhǔn)晶的密度和熔點(diǎn)低于晶態(tài)， 原子排列規(guī)則性低于晶態(tài)； 準(zhǔn)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(jié)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(yuǎn)程無序，短程有