准晶简介
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准晶体的结构简介
的所有砖块涂上标记色（如橙色），就会发现:
色块曲曲弯弯地大致沿垂直于箭头的方向延伸，“延
伸线”大致等距离是准周期性的表现.
“延伸线”方向也有5个, 即下图5个红箭头的垂直方向(不 过, 其余4种延伸没有画出). 5个方向的延伸线的交角为72度. 所以,样品的电子散射显示五重对称性.
如果将以上的讨论推广到三维空间, 正二十面体具有五 重对称性, 它有12个顶点，共13个原子. 由立体几何可知：
无空隙地铺砌地面，而单纯用正五边形砖却会出现“失配”：
将砖块换成原子，就意味着原子按六重对称性排布可以
密排成无限延伸的二维晶体，而按五重对称性排布却不行：
但是，有没有别的办法可以铺砌成具有五重对称性的 无空隙地面呢？有.
1974年，牛津大学的Roger Penrose找到一种办法，
但需用两种形状的砖, 铺砌也不能只沿两个独立方向重复， 即铺砌图案是非周期性的！这两种砖分别称为“瘦菱形” 和 “胖菱形”，二者边长相等但夹角不等：
利用三维Penrose铺砌来描述某种特定的合金时, 需要
对两种菱面体作适当的“装饰”, 把有关的原子置于菱面 体的一定位置上, 使铺砌结构中各种原子数目符合正确的 比例.
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不依古法但横行，自有风雷绕膝生
准晶体的发现并没有推翻晶体的轴次定理，却拓宽 了人类对固体结构的认识。在此发现10年之前，
Penrose就从数学上发现和研究了这种结构，后来又对
准晶体的成长机理大胆地提出了新颖的见解，思想的深 度与广度都令人惊叹。 “不依古法但横行，自有风雷绕膝生”，这一系列 的发现和认识，的确令人深思。
不久前揭晓的2011年度诺贝 尔化学奖得奖名单中，以色列 化学家Dany .Shechtman丹尼 尔· 舍特曼因为对材料中准晶 体的研究独得该奖。
准晶体的概念
准晶体的概念
准晶体（quasicrystal）亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。
具有与晶体相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。
因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。
”然而，1987年，法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构;2009年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”，这种名为icosahedrite(取自正二十面体)的新矿物质由铝、铜和铁组成；瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体，这种钢被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
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❖ 3、准晶的应用
自准晶被发现以来,国内外材料工作者对这一新 型固相的形成过程、原子结构、热稳定性、物理和 力学性能等方面进行了大量研究,并取得了显著的成 果。由于其结构的特殊性,准晶具有高硬度、低摩擦 系数和强烈的脆性。基于此,目前对准晶材料的应用 研究主要集中在两个方面,即作为涂层材料和作为软 基体复合材料的增强体。前者是利用准晶的不粘性、 耐热和耐蚀性等性能,后者则主要利用准晶的高硬度、 耐磨性等性能。将准晶相引入金属基体中制备颗粒 增强金属基复合材料,对开发准晶材料在结构材料方 面的应用和新的金属基复合材料的颗粒增强体具有 重要意义。
➢ 第二是采用粉末冶金的技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混 合后在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 同时也有很多人希望通过机械搅拌法向熔体中加入准晶颗粒 来制备准晶增强金属基复合材料,但尚未见很有成效。
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二、Mg-Zn-Y合金系中的准晶相
❖ 1993年，罗治平等发现Mg-Zn-Y合金中Mg3Zn6Y三元相为 二十面体准晶相(I相)，使得Mg-Zn-Y系准晶成为近年来准晶 研究的热点，各国的科技工作者们对Mg-Zn-Y三元系中准晶 相的形成机制、结构和性能等展开了大量的研究工作。 Mg-Zn-Y系准晶主要为三维20面体稳定准晶，此外，还发 现了二维十面体稳定准晶 稳定Mg-Zn-Y二十面体准晶的化 学成分在Mg30Zn60Yl0附近，其准点阵常数约0.52nm 。 Mg-Zn-Y系准晶以其独特的结构而具有特殊的性能，因而可 作为镁基复合材料中重要的增强相。
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4、Mg70Zn28Y2合金差热分析
❖ 图为Mg70Zn28Y2准晶合金 的差热分析然线，从图中可 以看出Mg70Zn28Y2三元合 金凝固过程中在647。C析出 a-Mg枝晶，在563。C左右存 在另一相变点，准晶相析出 温度大概在416。C，随后低 温相MgTZn3相大概在346。C 形成。最终的凝固组织为aMg枝晶、M93Zn7相和准晶 相。
❖ 3、准晶的应用
自准晶被发现以来,国内外材料工作者对这一新 型固相的形成过程、原子结构、热稳定性、物理和 力学性能等方面进行了大量研究,并取得了显著的成 果。由于其结构的特殊性,准晶具有高硬度、低摩擦 系数和强烈的脆性。基于此,目前对准晶材料的应用 研究主要集中在两个方面,即作为涂层材料和作为软 基体复合材料的增强体。前者是利用准晶的不粘性、 耐热和耐蚀性等性能,后者则主要利用准晶的高硬度、 耐磨性等性能。将准晶相引入金属基体中制备颗粒 增强金属基复合材料,对开发准晶材料在结构材料方 面的应用和新的金属基复合材料的颗粒增强体具有 重要意义。
➢ 第二是采用粉末冶金的技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混 合后在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 同时也有很多人希望通过机械搅拌法向熔体中加入准晶颗粒 来制备准晶增强金属基复合材料,但尚未见很有成效。
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二、Mg-Zn-Y合金系中的准晶相
❖ 1993年，罗治平等发现Mg-Zn-Y合金中Mg3Zn6Y三元相为 二十面体准晶相(I相)，使得Mg-Zn-Y系准晶成为近年来准晶 研究的热点，各国的科技工作者们对Mg-Zn-Y三元系中准晶 相的形成机制、结构和性能等展开了大量的研究工作。 Mg-Zn-Y系准晶主要为三维20面体稳定准晶，此外，还发 现了二维十面体稳定准晶 稳定Mg-Zn-Y二十面体准晶的化 学成分在Mg30Zn60Yl0附近，其准点阵常数约0.52nm 。 Mg-Zn-Y系准晶以其独特的结构而具有特殊的性能，因而可 作为镁基复合材料中重要的增强相。
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4、Mg70Zn28Y2合金差热分析
❖ 图为Mg70Zn28Y2准晶合金 的差热分析然线，从图中可 以看出Mg70Zn28Y2三元合 金凝固过程中在647。C析出 a-Mg枝晶，在563。C左右存 在另一相变点，准晶相析出 温度大概在416。C，随后低 温相MgTZn3相大概在346。C 形成。最终的凝固组织为aMg枝晶、M93Zn7相和准晶 相。
准晶体解释
质疑和嘲笑声包括著名化学家、两届诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林在内的一些化学界权威纷纷质疑谢赫特曼的发现。
即便如此，谢赫特曼也并未动摇自己的信念。
在1984年夏，他们向《应用物理杂志(Journal of AppliedPhysics)》投了一篇稿件，可是，立即遭到了编辑的拒绝，稿件被退了回来。
晶体的定义应当是晶体是内部质点在3维空间呈周期性重复排列的固体或者说晶体是具有周期平移格子构造的固体。
准晶体的定义应当是准晶是同时具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相。
相对于晶体可以用一种单胞在空间中的无限重复来描述准晶体也可以定义为:准晶是由两种(或两种以上“原胞”在空间无限重复构成的这些“原胞”的排列具有长程的准周期平移序和长程指向序三维准晶、二维准晶和一维准晶指立体，平面、线条。
准周期性：一些事物运动的规律性不是很强,例如经济的运行,周期就有长有短,像这种不固定的周期就称准周期,以区别于上述意义上的周期.准,本来就是相近相似的意思.所以准周期就是近似意义上的周期。
二十面体准晶因具有磁各向异性而降低了磁导率纳米畴就是具有纳米结构的晶体，它的边界叫畴。
Laves相的晶体结构有三种类型：①MgCu2型属立方晶系，②MgZn2型属六方晶系，③MgNi2属六方晶系晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。
毫米级大块准晶难以制备的原因：生成过程包括成核和长大两个过程。
一般是通过极冷淬火，准晶物质通常是伴随过饱和固溶体和其它金属间化合物一起形成的。
准晶体形成过程虽然还不太楚,但大致可以有以下种基本情况，气体-准晶体，溶体、熔体-准晶体，晶体-准晶体，玻璃-准晶体。
光学性能（高的红外传导率）和足够的热稳定性（抗氧化及扩散稳定性）。
准晶体简介
准晶的组成和结构
组成：从组成上看，至今发现的准晶绝大
称性。介于玻璃（短程有序，长程无序）和晶体（长程 有序，且具有平移对称性）之间。
金属玻璃
金属准晶体
金属晶体
天然准晶矿物
准晶体立体模型
准晶体原子结构模型
准晶体平面堆砌图
彭罗斯贴砖图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体
结构模型图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 稳定性
在300℃中保温6h和在350℃中保温1h都不发生 晶化 在400℃保温1h晶化为稳定的Al6Mn晶相 准晶相为典型的介稳相
准晶体的分类
根据三维物理空间中材料呈现准周期性的维数划分
三维准晶：有二十面体准晶和立方准晶两大类 二维准晶：有十次准晶、十二次准晶、八次准晶和五 次准晶四类。 一维准晶：原子在二维上是周期分布的，另外一维是 准周期分布的。 根据准晶在热力学上的稳定性划分 可将其分为稳定准晶和亚稳定准晶两大类。 至今发现的近200种准晶中有七十多种是热力学稳定的
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 合成制备
含Mn、Fe、Cr 10-14%的Al金属熔体急冷，一步 转化为介稳的固体 生成过程包括成核和长大两个过程，随着准晶相 的形成，发生两相隔离，界面扩散速度10-2m/s, 生成时间10-4s.
Shechtman D, Blech I, Gratias D, et al. Metallic phase with longrange orientational order and no translational symmetry[J]. Physical Review Letters, 1984, 53(20): 1951.
准晶材料的应用
2-7非晶和准晶、纳米晶态固体结构
同色顶点相接
格点旳 排列无 周期性， 但到处 具有5次 对称性
准晶构造类型
a.一维准晶 在一种取向是准周期性而其他两个取向
是周期性，存在于二十面体或十面体与结晶 相之间发生相互转变旳中间状态。
b.二维准晶 由准周期有序旳原子层周期地堆垛而构成，
是将准晶态和晶态旳构造特征结合在一起。 存在8、10 和 12 次对称
1.准晶态旳构造
准晶是准周期晶体旳简称，它是一种无平 移周期性但有位置序旳晶体。
有无方法能够铺砌成具有五重对称性旳 无空隙地面？
面积之比为 1.618：1
具有5次 对称轴
1974年penrose提出利用两种夹角分别为72、 72、144、72 和 36、72、36、216度旳四边 形能够将平面铺满.相当于将一种菱形切开成上 述两个四边形。这种图形具有5次对称性。
旳固体材料。
(1)各向同性；
（2）介稳性 有析晶（晶化）旳倾向； （3）熔融态向玻璃态转化旳过程是可逆旳与 渐变旳；
（4）无固定旳熔点；
(5)熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质 随温度变化旳连续性。
2、玻璃旳形成条件
A：玻璃形成旳动力学条件
硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体或一定成 份旳合金只有冷凝速度不小于一定旳临界速度 才干转变为玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联络较弱旳电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇构成晶格 旳几率最大，最不易形成玻璃。
纯粹共价键化合物多为分子构造。在分子内 部，由共价键连接，分子间是无方向性旳范德华 力。一般在冷却过程中质点易进入点阵而构成份 子晶格。
所以以上三种键型都不易形成玻璃。
c.二十面体准晶
奇趣的准晶
奇趣的准晶准晶体，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。
它像是一种阿拉伯式的原子镶嵌图，华丽，迷人而又充满神秘的异域风情。
准晶的发现1982年，以色列科学家谢赫特曼用电子显微镜测定了他自己合成的一块铝锰合金的衍射图像，发现是一个正十边形的对称结构——对寻常晶体来说这是一个不可能的对称性，因为从数学上很容易证明你不可能用正十边形（或者简化到正五边形）去周期性地铺满平面。
谢赫特曼认为这是一种全新的晶体，它的特点就是只具有准周期性，也就是“准晶”。
Ilan Blech 帮谢赫特曼搞出了一个数学模型，二人这才决定发表论文，结果被APL编辑拒稿。
接下来谢赫特曼回到国家标准局，在John Cahn帮助下进一步完善了数学，然后找到一位真正的晶体学家Denis Gratias入伙，最后文章被PRL发表。
图1.但是当时只有少数科学家接受这是一种新晶体。
关键在于，谢赫特曼实验使用的是电子显微镜，而晶体学界的标准实验工具是更为精确的X射线，他们不太信任电子显微镜的结果。
不能用X射线的原因是生长出来的晶体太小。
一直到1987年终于有人生长出来足够大的准晶体，用X射线拍摄了更好的图像，科学家中的“主流”才接受了准晶的发现。
五次旋转对称性经典晶体学中，无论是14种布拉菲点阵还是230种空间群，均不不允许有五次对称，因为五次对称会破坏空间点阵的平移对称性，即不可能用五边形布满二维平面，也不可能用二十面体填满三维空间。
而准晶的发现颠覆了这种观念，准晶的特点之一就是五次对称性。
其实，矿石界的蛋白石，有机化学中的硼环化合物，生物学中的病毒，都显示出五次对称特征，而数学家们早已为准晶做好了理论铺垫，1974年，英国人彭罗斯（Roger Penrose）便在前人工作基础上提出了一种以两种四边形的拼图铺满平面的解决方案，如图2。
对于Shechtman的准晶体衍射图案和彭罗斯的拼图来说，都有一个迷人的性质，就是在它们的形态中隐藏着美妙的数学常数τ，亦即黄金分割数1.618……。
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04
准晶的未来展望
准晶的未来展望
• 准晶是一种特殊的固体物质，其结构表现出长程有序但缺乏 平移对称性的特点。自从准晶被发现以来，其独特的物理性 质和潜在的应用价值一直吸引着科学家的关注。为了进一步 推动准晶领域的发展，我们有必要对准晶的未来展望进行探 讨。
THANKS
感谢观看
• 准晶是一种特殊的固体物质，它们具有长程有序的结构，但缺 乏平移对称性。这意味着准晶呈现出一种介于晶体和非晶体之 间的特性。下面将详细介绍准晶的形成机制、发现历程以及在 自然界和实验室的分布。
03
准晶的研究与应用
准晶的科学研究
晶体结构研究
准晶作为一种非周期性晶体，其独特的晶体结构一直是科学研究的重点。通过 对准晶的结构进行深入的研究，有助于我们更好地理解晶体生长的规律和机制 。
耐腐蚀材料
准晶具有良好的耐腐蚀性，可应用于 化工、海洋工程等领域。在恶劣环境 下，准晶材料能够保持较好的稳定性 和耐腐蚀性。
准晶在其他领域的应用前景
生物医学领域
准晶材料在生物医学领域具有潜 在的应用价值。其生物相容性和 独特的物理性质有望用于药物载 体、生物成像等方面。
光学领域
准晶具有独特的光学性质，如非 线性光学效应。这些性质使得准 晶在光学器件、光子晶体等领域 具有一定的应用前景。
物理性质研究
准晶表现出许多独特的物理性质，如导电性、热传导性、光学性质等。这些性 质与准晶的结构密切相关，通过对这些性质的研究，可以进一步揭示准晶的内 在特性。
准晶在材料科学中的应用
超硬材料
准晶具有高的硬度和耐磨性，可以作 为超硬材料应用于切削工具、轴承等 领域。其优异的力学性能可以提高工 具的使用寿命和性能。
准晶简介
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准晶的介绍
准晶的对称性
电子衍射图样
准晶的定义
准晶体是准周期晶体的简称。它是一种具有多 重旋转对称轴、不同于传统晶体和非晶玻璃体的固 1 ( 5 1) ，其中的 态物质结构。准晶具有准周期 2 原子呈定向有序排列，但不作周期性平移重复，其 对称要素包含与晶体空间格子不相容的对称。 从目前掌握的实验资料看, 在热力学上准晶相 有向晶体相转变的趋势, 说明准晶体的结构是非平 衡的亚稳结构。 目前的研究证实，在实二次域上只可能存在5、 8、10、12次旋转对称的准格点阵(陆洪文、费奔)。 I-相：二十面体相，它的点群符号 m35 ，不属于 三十二种晶体点群中的任何一类。
表面特性
(2)不粘特性 准晶材料的不粘性实质上是热力学中 (1)氧化行为特性 在相同条件下, 准晶相表面的氧 (3)摩擦特性 准晶的显微硬度比铝合金大近一个数
润湿性的问题, 与准晶的表面能有关。准晶的最外层 化现象明显低于铝合金和相近成分的晶体相。 量级，但摩擦系数仅为铝合金的1/3，此外，当对准晶 原子没有重构现象和准晶在费米能级处的电子态密度 材料进行往复摩擦实验时，其摩擦系数还会逐渐降低， 很低（即准晶在费米能级处存在伪能隙） 是造成其表 且磨痕上的微裂纹会自动愈合，这显示了准晶具有一 面能很低的主要原因。 定的应力塑性。
(2)准晶作为结构材料增强相的应用 (b)准晶纳米颗粒增强Al基合金 日本学者A.Inoue等 (c)准晶颗粒增强复合材料 (a)准晶相作为时效强化相 瑞典皇家工学院的研究人员
采用快冷方法开发出一种具有优异力学性能的Al基合金。 I.准晶颗拉增强金属基复合材料 使用准晶颗粒增强金属 开发的新型马氏体时效钢，成分为12%Cr-9%Ni-4%Mo其组织特征为, 在fcc-Al相中均匀分布有纳米尺度的准晶颗 2%Cu-1%Ti, 其中时效强化相为准晶相。准晶相的成分典型 基复合材料除了可以提高基体的性能以外，由于与常规陶 粒。其中,准晶颗粒的尺寸为30-50nm,fcc-铝相厚度为5瓷颗粒相比准晶材料的熔点较低, 且其为金属合金, 故准晶 值为34%Fe-12%Cr-2%Ni-49%Mo-3%Si, 在475℃时效4h 形 10nm , 将准晶颗粒包围。在Al相中没有高角度的晶界。准 颗粒增强金属基复合材料的回收也是相对容易的, 属于环 成, 经过1000h都保持稳定, 即准晶颗粒是热力学平衡析出。 晶相的体积分数 境友好材料。 60%-70%。 时效过程中丰富的形核位置与缓慢的粗化过程可以用准晶的 II.准晶颗粒增强聚合物基复合材料 美国Ames国家实验室 低表面能进行解释。该钢经回火处理后, 其抗拉强度为 的科研人员研究了Al-Cu-Fe准晶颗粒增强聚合物基复合材 3000MPa, 准晶相的形成对提高强度和抗回火软化起了相当 大的作用。该型钢主要应用于医疗外科器械 料的制备方法和性能变化，发现复合材料的耐磨性明显优 于基体, 且其玻璃化温度Tg和熔化温度Tm与基体相比没有 明显变化, 说明准晶颗粒不会对基体产生有害的化学作用。
体、液体及非晶而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。
(6)稳定性 对于相同化学组成，处于不同物态下的物体，
晶体、准晶体都不能自发的转变为其他物态。
准晶体的性能——传输特性
(1)导电特性 (2)热传导特性
(a)热力学稳定的准晶材料的电阻率异常高。 (3)光传导特性 (a)与普通金属材料相比, 准晶的导热率都很低, 在室温下准 Al-Cu-Li在液氦温度的电阻率为900微欧厘米，Al-Pd-Re为 (a) 在较低的频率范围内, 准晶的光导率很小, 且在104cm-1时 晶的导热率要比普通的铝合金低两个数量级，可以与常见的 4000-28000微欧厘米 有很宽的峰值。 隔热材料ZrO2相媲美。 (b)准晶材料电阻率随温度升高而下降，具有负温度系数。 (b)在二维的准晶材料中, 光导率对其结构的各向异性很敏感。 (b)准晶材料的热阻值随着温度升高而下降, 即具有负的温度 (c)电阻率对准晶合金成分和结构完整程度十分敏感，样品 系数。热扩散系数和比热容均随着温度升高而增大。 的质量越好，电阻率就越大。 (c)准晶样品质量越好, 结构越完善, 其导热性能就越差。 (d)对于二维的十次准晶, 其周期方向的电阻率比准周期方 向的电阻率要小75%-95%, 显示出很强的各向异性。
高温塑性
室温脆性被认为是准晶材料的致命弱点之一。然而， Shibuya 等在研究多晶Al-Cu-Ru准晶相在1000K 时的压应变 准晶的脆性在高温下却完全消失, 且显示出类似于超塑性材 行为时发现, 虽然准晶相的强度随着温度的升高而逐渐降低, 无论从理论上还是在实验中, 在二十面体准晶结构中都 料的极高塑性, 最高变形量可130%以上, 而且没有加工硬 但塑变量和应变率却很大。 证实有位错的存在, 在Al-Cu-Fe，Al-Li-Cu二十面体准晶相 化现象。一般认为准晶材料的超塑性与其独特的原子结构准 Takeuchi 等分析Al-Pd-Mn准晶相的高温塑变行为后认为, 中位错的柏氏矢量均可确定。另外, 对十次准晶中的位错也 有关。 晶相的高应变主要由有效应变和与温度相关的内应变组成。 已进行了深入研究, 这类准晶的位错的柏氏矢量平行于周期 Yokoyama等研究单晶Al-Pd-Mn准晶相在 1000K的塑变行为 方向, 而且这些位错的本质与晶体中的位错基本一致。 时也发现了准晶具有很大的塑变量和应变率, 而且认为该塑 变是沿着准晶的五次轴方向进行的。
储氢特性
材料的储氢特性主要取决于金属与氢之问的化学反应 以及金属中可容纳氢原子的间隙位置和数量。在大多数过 渡金属中，氢趋向于四面体位置。因而, 具有四面体结构 的Laves相是很好的储氢材料。而二十面体准晶恰好拥有 大量的四面体配位结构, 从理论上讲，这类准晶具备储氢 能力。Kelton等通过实验证实了Ti系的二十面体准晶相(ITi45Ni17Zr38)确实具有很强的储氢能力，每个金属原子可 达到吸收两个氢原子的水平。
准晶材料的应用
(1)准晶材料在表面改性材料中的应用
(c)太阳能工业薄膜材料 德国科研人员以Cu为基底, 加 (b)隔热材料 西班牙INTA(国家航空技术研究所)的科研 (a)炊具表面材料 该应用主要采用Al-Cu-Fe准晶材料,
将厚度约10nm的Al-Cu-Fe13Cr8Fe8在1000℃都保持稳定, 人员发现,准晶合金Al71Co 准晶薄膜置于两层绝缘薄膜之 Cr 元素以提高耐蚀性, 采用热喷涂或等离子喷涂将准晶粉末 间, 构成多层结构, 其具有太阳能工业要求的选择吸收性质。 采用低压等离子溅射技术(LPPS) 将其涂覆于航空Ni 基合 沉积在基体表面。不粘性与准晶材料的低表面能和准晶材 该多层结构不仅可以满足光学性能的要求, 在395℃ 其选 热 金的表面, 涂层的孔隙度低于1% , 热导率与常规的Zr2O3 料中一定的孔隙相关, 准晶中的孔隙使油浸入形成油膜以提 择吸收波长范围为400-1700nm , 可以与市场上已应用的 障涂层在一个数量级。与传统隔热材料相比, 准晶材料具 高不粘性。与聚四氟乙烯材料相比, 准晶材料的耐磨损、高 Ti-N-O薄膜相比；同时还具有抗高温氧化、抗腐蚀(SO2) 、 有密度小、耐蚀和耐氧化的优点, 在航空和汽车工业的发 硬度等有助于提高使用寿命, 完全符合厨房炊具的标准。准 与基底结合性好等优点。 动机等部件中, 有潜在应用价值。 晶的导热性较差，但由于层厚较薄, 不会影响到不粘锅用快速凝固法制备准晶时, 冷却速度太高, 过
饱和固溶体先于准晶相形成, 有时还容易形成非晶；冷却速度 太低则形成平衡相, 不能获得准晶。
准晶的基本性质
(1)均一性 准晶具有有序结构，其分割出来的不同部分放
大或缩小都与整体结构有相同的结构特征。
(2)各向异性 (3)对称性 准晶体的对称性较晶体高。 (4)自限性 自发地形成封闭的几何多面体外形。 (5)最小内能性 在相同的热力条件下，较之相同成分的气
准晶的制备方法
(1)快速凝固法 目前用得最多的制备准晶的方法，包括
Melt-Spining法, 电子束表面扫描法和雾化制粉法。 (2)退火法 利用某些非晶态合金加热时的转变或某些合金 经固溶淬火处理后进行人工时效时的析出能获得准晶相。如 Al-Cu-Li准晶 (3)高能粒子束辐照法 将多层纯组元薄膜叠压在一起, 用 高能电子束或离子束进行辐照可以获得准晶。Al-Mn准晶 (4)固态反应法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在一定温 度下加热进行互扩散, 也可以获得准晶。 (5)真空气相沉积法 将两个纯组元加热到工作温度, 使之 蒸发、沉积；采用一种特殊的分隔装置, 使两组元的沉积交 替进行而不互相干扰。Al-Fe、Al-Cr准晶
准晶的分类
第二类MTi 类合金(M-VIII组元素) 第一类Al-过渡族金属 第三类Frank-Kasper拓扑相系
二十面体相:二元系 Al-Mn Al-Pd 二十面体相: 二元系 NiTi2 FeTi2 Al-Cr 二十面体相:Mg4CuAl6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr 八边形相:三元系 Cr-Ni-Si 三元系 Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5 十二边形相:二元系 NiCr V3Ni2 四元系 Al-Mn-Sn-Fe 十边形相: 二元系 Al-Mn 10Si Al-Ni 三元系 V15NiAl-Pd 三元系 Al-Mn-Fe Al-Mn-Zn������ 一维准晶: 三元系 Al80Ni14Si6 Al65Cu20Co15
影响准晶形成的因素
(1)合金的成分 对于能形成准晶的合金系统, 准晶只能在
一定的成分范围内形成。 (2)电子结构 已经发现在Al-Mn 二元系中, 不易形成Mn-Mn 近邻原子对, Al42Mn12二十而体有很高的稳定性；第三组元Si 的加入改善了形成准晶的能力，这些现象表明组元的电子结 构与准晶的形成能力有内在的联系。
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弥散强化特性
准晶强化基体材料的方式主要有以下两种
(1)利用固态反应使准晶相以高温强化相析出并弥散分布于 (2)利用粉末冶金技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混合后 基体中，从而达到强化效果。 在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 Nilsson J.O.等将低碳时效马氏体钢 如Tsai等将30vol% 的I-AlCuFe 颗粒(<40um) 与Al 粉 Cr12.0Ni9.0Mo4.0Ti0.9Al0.3Si0.15Cu2.0Fe(C%<0.05)500℃长时 (<0.2mm)均混后在600 ℃下挤压成准晶/铝基复合材料, 其 间退火336h后使准晶相在钢基体中弥散析出, 时效后的钢 室温强度和韧性均为7075-T6铝合金的1.5倍，其室温塑性 材在性能上表现为硬度持续升高、最终可高达730Hv，抗 则为后者的3倍。尤其是该材料在300℃中温下的强度可达 拉强度接近3000MPa， 这种超高强度钢可望用作医疗器 210MPa,比7075-T6铝合金高出10 倍。 械材料。
准晶的对称性
电子衍射图样
准晶的定义
准晶体是准周期晶体的简称。它是一种具有多 重旋转对称轴、不同于传统晶体和非晶玻璃体的固 1 ( 5 1) ，其中的 态物质结构。准晶具有准周期 2 原子呈定向有序排列，但不作周期性平移重复，其 对称要素包含与晶体空间格子不相容的对称。 从目前掌握的实验资料看, 在热力学上准晶相 有向晶体相转变的趋势, 说明准晶体的结构是非平 衡的亚稳结构。 目前的研究证实，在实二次域上只可能存在5、 8、10、12次旋转对称的准格点阵(陆洪文、费奔)。 I-相：二十面体相，它的点群符号 m35 ，不属于 三十二种晶体点群中的任何一类。
表面特性
(2)不粘特性 准晶材料的不粘性实质上是热力学中 (1)氧化行为特性 在相同条件下, 准晶相表面的氧 (3)摩擦特性 准晶的显微硬度比铝合金大近一个数
润湿性的问题, 与准晶的表面能有关。准晶的最外层 化现象明显低于铝合金和相近成分的晶体相。 量级，但摩擦系数仅为铝合金的1/3，此外，当对准晶 原子没有重构现象和准晶在费米能级处的电子态密度 材料进行往复摩擦实验时，其摩擦系数还会逐渐降低， 很低（即准晶在费米能级处存在伪能隙） 是造成其表 且磨痕上的微裂纹会自动愈合，这显示了准晶具有一 面能很低的主要原因。 定的应力塑性。
(2)准晶作为结构材料增强相的应用 (b)准晶纳米颗粒增强Al基合金 日本学者A.Inoue等 (c)准晶颗粒增强复合材料 (a)准晶相作为时效强化相 瑞典皇家工学院的研究人员
采用快冷方法开发出一种具有优异力学性能的Al基合金。 I.准晶颗拉增强金属基复合材料 使用准晶颗粒增强金属 开发的新型马氏体时效钢，成分为12%Cr-9%Ni-4%Mo其组织特征为, 在fcc-Al相中均匀分布有纳米尺度的准晶颗 2%Cu-1%Ti, 其中时效强化相为准晶相。准晶相的成分典型 基复合材料除了可以提高基体的性能以外，由于与常规陶 粒。其中,准晶颗粒的尺寸为30-50nm,fcc-铝相厚度为5瓷颗粒相比准晶材料的熔点较低, 且其为金属合金, 故准晶 值为34%Fe-12%Cr-2%Ni-49%Mo-3%Si, 在475℃时效4h 形 10nm , 将准晶颗粒包围。在Al相中没有高角度的晶界。准 颗粒增强金属基复合材料的回收也是相对容易的, 属于环 成, 经过1000h都保持稳定, 即准晶颗粒是热力学平衡析出。 晶相的体积分数 境友好材料。 60%-70%。 时效过程中丰富的形核位置与缓慢的粗化过程可以用准晶的 II.准晶颗粒增强聚合物基复合材料 美国Ames国家实验室 低表面能进行解释。该钢经回火处理后, 其抗拉强度为 的科研人员研究了Al-Cu-Fe准晶颗粒增强聚合物基复合材 3000MPa, 准晶相的形成对提高强度和抗回火软化起了相当 大的作用。该型钢主要应用于医疗外科器械 料的制备方法和性能变化，发现复合材料的耐磨性明显优 于基体, 且其玻璃化温度Tg和熔化温度Tm与基体相比没有 明显变化, 说明准晶颗粒不会对基体产生有害的化学作用。
体、液体及非晶而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。
(6)稳定性 对于相同化学组成，处于不同物态下的物体，
晶体、准晶体都不能自发的转变为其他物态。
准晶体的性能——传输特性
(1)导电特性 (2)热传导特性
(a)热力学稳定的准晶材料的电阻率异常高。 (3)光传导特性 (a)与普通金属材料相比, 准晶的导热率都很低, 在室温下准 Al-Cu-Li在液氦温度的电阻率为900微欧厘米，Al-Pd-Re为 (a) 在较低的频率范围内, 准晶的光导率很小, 且在104cm-1时 晶的导热率要比普通的铝合金低两个数量级，可以与常见的 4000-28000微欧厘米 有很宽的峰值。 隔热材料ZrO2相媲美。 (b)准晶材料电阻率随温度升高而下降，具有负温度系数。 (b)在二维的准晶材料中, 光导率对其结构的各向异性很敏感。 (b)准晶材料的热阻值随着温度升高而下降, 即具有负的温度 (c)电阻率对准晶合金成分和结构完整程度十分敏感，样品 系数。热扩散系数和比热容均随着温度升高而增大。 的质量越好，电阻率就越大。 (c)准晶样品质量越好, 结构越完善, 其导热性能就越差。 (d)对于二维的十次准晶, 其周期方向的电阻率比准周期方 向的电阻率要小75%-95%, 显示出很强的各向异性。
高温塑性
室温脆性被认为是准晶材料的致命弱点之一。然而， Shibuya 等在研究多晶Al-Cu-Ru准晶相在1000K 时的压应变 准晶的脆性在高温下却完全消失, 且显示出类似于超塑性材 行为时发现, 虽然准晶相的强度随着温度的升高而逐渐降低, 无论从理论上还是在实验中, 在二十面体准晶结构中都 料的极高塑性, 最高变形量可130%以上, 而且没有加工硬 但塑变量和应变率却很大。 证实有位错的存在, 在Al-Cu-Fe，Al-Li-Cu二十面体准晶相 化现象。一般认为准晶材料的超塑性与其独特的原子结构准 Takeuchi 等分析Al-Pd-Mn准晶相的高温塑变行为后认为, 中位错的柏氏矢量均可确定。另外, 对十次准晶中的位错也 有关。 晶相的高应变主要由有效应变和与温度相关的内应变组成。 已进行了深入研究, 这类准晶的位错的柏氏矢量平行于周期 Yokoyama等研究单晶Al-Pd-Mn准晶相在 1000K的塑变行为 方向, 而且这些位错的本质与晶体中的位错基本一致。 时也发现了准晶具有很大的塑变量和应变率, 而且认为该塑 变是沿着准晶的五次轴方向进行的。
储氢特性
材料的储氢特性主要取决于金属与氢之问的化学反应 以及金属中可容纳氢原子的间隙位置和数量。在大多数过 渡金属中，氢趋向于四面体位置。因而, 具有四面体结构 的Laves相是很好的储氢材料。而二十面体准晶恰好拥有 大量的四面体配位结构, 从理论上讲，这类准晶具备储氢 能力。Kelton等通过实验证实了Ti系的二十面体准晶相(ITi45Ni17Zr38)确实具有很强的储氢能力，每个金属原子可 达到吸收两个氢原子的水平。
准晶材料的应用
(1)准晶材料在表面改性材料中的应用
(c)太阳能工业薄膜材料 德国科研人员以Cu为基底, 加 (b)隔热材料 西班牙INTA(国家航空技术研究所)的科研 (a)炊具表面材料 该应用主要采用Al-Cu-Fe准晶材料,
将厚度约10nm的Al-Cu-Fe13Cr8Fe8在1000℃都保持稳定, 人员发现,准晶合金Al71Co 准晶薄膜置于两层绝缘薄膜之 Cr 元素以提高耐蚀性, 采用热喷涂或等离子喷涂将准晶粉末 间, 构成多层结构, 其具有太阳能工业要求的选择吸收性质。 采用低压等离子溅射技术(LPPS) 将其涂覆于航空Ni 基合 沉积在基体表面。不粘性与准晶材料的低表面能和准晶材 该多层结构不仅可以满足光学性能的要求, 在395℃ 其选 热 金的表面, 涂层的孔隙度低于1% , 热导率与常规的Zr2O3 料中一定的孔隙相关, 准晶中的孔隙使油浸入形成油膜以提 择吸收波长范围为400-1700nm , 可以与市场上已应用的 障涂层在一个数量级。与传统隔热材料相比, 准晶材料具 高不粘性。与聚四氟乙烯材料相比, 准晶材料的耐磨损、高 Ti-N-O薄膜相比；同时还具有抗高温氧化、抗腐蚀(SO2) 、 有密度小、耐蚀和耐氧化的优点, 在航空和汽车工业的发 硬度等有助于提高使用寿命, 完全符合厨房炊具的标准。准 与基底结合性好等优点。 动机等部件中, 有潜在应用价值。 晶的导热性较差，但由于层厚较薄, 不会影响到不粘锅用快速凝固法制备准晶时, 冷却速度太高, 过
饱和固溶体先于准晶相形成, 有时还容易形成非晶；冷却速度 太低则形成平衡相, 不能获得准晶。
准晶的基本性质
(1)均一性 准晶具有有序结构，其分割出来的不同部分放
大或缩小都与整体结构有相同的结构特征。
(2)各向异性 (3)对称性 准晶体的对称性较晶体高。 (4)自限性 自发地形成封闭的几何多面体外形。 (5)最小内能性 在相同的热力条件下，较之相同成分的气
准晶的制备方法
(1)快速凝固法 目前用得最多的制备准晶的方法，包括
Melt-Spining法, 电子束表面扫描法和雾化制粉法。 (2)退火法 利用某些非晶态合金加热时的转变或某些合金 经固溶淬火处理后进行人工时效时的析出能获得准晶相。如 Al-Cu-Li准晶 (3)高能粒子束辐照法 将多层纯组元薄膜叠压在一起, 用 高能电子束或离子束进行辐照可以获得准晶。Al-Mn准晶 (4)固态反应法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在一定温 度下加热进行互扩散, 也可以获得准晶。 (5)真空气相沉积法 将两个纯组元加热到工作温度, 使之 蒸发、沉积；采用一种特殊的分隔装置, 使两组元的沉积交 替进行而不互相干扰。Al-Fe、Al-Cr准晶
准晶的分类
第二类MTi 类合金(M-VIII组元素) 第一类Al-过渡族金属 第三类Frank-Kasper拓扑相系
二十面体相:二元系 Al-Mn Al-Pd 二十面体相: 二元系 NiTi2 FeTi2 Al-Cr 二十面体相:Mg4CuAl6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr 八边形相:三元系 Cr-Ni-Si 三元系 Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5 十二边形相:二元系 NiCr V3Ni2 四元系 Al-Mn-Sn-Fe 十边形相: 二元系 Al-Mn 10Si Al-Ni 三元系 V15NiAl-Pd 三元系 Al-Mn-Fe Al-Mn-Zn������ 一维准晶: 三元系 Al80Ni14Si6 Al65Cu20Co15
影响准晶形成的因素
(1)合金的成分 对于能形成准晶的合金系统, 准晶只能在
一定的成分范围内形成。 (2)电子结构 已经发现在Al-Mn 二元系中, 不易形成Mn-Mn 近邻原子对, Al42Mn12二十而体有很高的稳定性；第三组元Si 的加入改善了形成准晶的能力，这些现象表明组元的电子结 构与准晶的形成能力有内在的联系。
谢谢！
弥散强化特性
准晶强化基体材料的方式主要有以下两种
(1)利用固态反应使准晶相以高温强化相析出并弥散分布于 (2)利用粉末冶金技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混合后 基体中，从而达到强化效果。 在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 Nilsson J.O.等将低碳时效马氏体钢 如Tsai等将30vol% 的I-AlCuFe 颗粒(<40um) 与Al 粉 Cr12.0Ni9.0Mo4.0Ti0.9Al0.3Si0.15Cu2.0Fe(C%<0.05)500℃长时 (<0.2mm)均混后在600 ℃下挤压成准晶/铝基复合材料, 其 间退火336h后使准晶相在钢基体中弥散析出, 时效后的钢 室温强度和韧性均为7075-T6铝合金的1.5倍，其室温塑性 材在性能上表现为硬度持续升高、最终可高达730Hv，抗 则为后者的3倍。尤其是该材料在300℃中温下的强度可达 拉强度接近3000MPa， 这种超高强度钢可望用作医疗器 210MPa,比7075-T6铝合金高出10 倍。 械材料。