准晶及准晶材料概览
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第三章 准晶结构与材料性能
第三章
准晶材料
准晶体发现：20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。 84年底，D.Shechtman等人，在急冷凝固Al Mn合金 中发现具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相。 准晶体（Quasicrystal）—无平移同期性但有位置序的 晶体。 郭可信等在对高温合金中的四面体密堆合金相的高分 辨电子显微镜观察到： 84年夏发现五重旋转对称的电子衍射图， 85年初在Ti2Ni合金中发现了二十面体准晶。 85年以来先后发现了八次、十次对称准晶以及一维和 立方准晶。
从彭罗斯图可以看到，如果绕5次轴转动2π/5 ，图案又回复 到原来的形状，这就是准晶体具有5次旋转对称性的表现，同 时这种图案具有准周期性的长程序。
晶体与准晶的对称轴与基转角关系
2、 二维准晶
• •
87年首先在急冷的Cr5Ni3Si2 和V15N10Si合 金 中 观 察 到 8 次 准 晶 ， 随 后 又 在 Mn4Si ， Mn82S15A13〕等合金中观察到8次准晶。 • 8次准晶准周期面上由两个结构基元组成： 正方形，45°菱形。两种结构基元的准周期排 列，构成8次准点阵，这些正方形、菱形的边 都落在成45°的8个方向上，阵点排列成费波 纳斯链，相邻阵点间的距离之比的数列由1， 组成。 与45°角有关。
准晶：20世纪80年代晶 体学研究中的一次突破
准晶聚合物（quasicrystalline polymer）结构使得新一代基 于光的通信技术成为可能 目前，在光子电路中，光不能进行锐角的转折，准晶点 阵技术可使光在电路中传播时产生锐角转折，这将推动 高速通信和计算设备的发展。普林斯顿大学的研究人员 已经发现了制造准晶聚合物结构的方法，代表了光子学 潜在的重大进步。此结构能够控制光的传播，使得光子 通信系统成为可能。
准晶材料的制备(color)
准晶材料的制备整理：滕飞 2011-11-021以色列科学家丹尼尔-舍特曼 （Daniel Shechtman）因发现 准晶体而获得2011年诺贝尔 化学奖。
2准晶的概念准晶材料是介于周期结构与无序结构之间的一类 新发现的凝聚态，具有传统的晶体材料所不具备 的对称性，由于其结构的特殊性，例如它具有五 次和十次等特殊的对称性。
因此它具有许多优良 的机械性能、物理化学性能和光电磁性能。
准晶分类 ¾从热力学角度 热力学亚稳态准晶：在某个温度区间退火会变为晶体类似相 稳态准晶：热力学上是稳定的¾按结构可分为 一维准晶 二维准晶：八次、十次和十二次准晶 三维准晶：主要是二十面体3¾一维准晶：是由二维十面体准晶中的一个二次准周期轴（与十次轴正 交）变为二次周期轴而生成的，即一维准晶具有两个正交的周期方向 和一个与它们正交的准周期方向。
二维准晶：在一个平面上的两个方向上显示准周期性，而在其法线方 向呈现周期性。
二维准周期平面的特征可以用这个具有周期性的旋转 轴来表示，从而分为不同形态的二维准晶。
三维准晶：主要是二十面体，它指的是在空间中任何三个正交方向上 都呈现准周期性，而无任何周期性方向。
¾¾4准晶体的类型现在已在100多种金属合金体系中发现了准晶相，如已有报 导的准晶合金有基于Al、Cu、Mg、Ni、Ti、Zn、Zr等的 合金。
5影响准晶生长的因素准晶形成过程大致可有4种基本情况：气体→准晶体、溶体(熔体)→准 晶体、晶体→准晶体、非晶→准晶体。
影响准晶生长的因素合金成分，准晶只能在一定范围内形成； 合金成分 原子尺寸，主要元素的原子半径大小相近，以较小的原子为中心； 原子尺寸 电子结构，组元的电子结构与准晶的形成能力有内在联系； 电子结构 冷却速度，影响较大，冷却速度较大有利于准晶的形成，冷却速度过 冷却速度 高会导致过饱和固熔体先于准晶形成甚至出现非晶，因此冷去速度应 控制在一个适应的范围； 温度和压力，改变结构的束缚状态和结构熵， A1-Cu-Fe系合金，压力 温度和压力 增加有助于晶体等向准晶转变，增加压力可使冷却速度降低而保持效 果不变。
准晶材料课件研究生课程
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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。
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
精品准晶简介演示文档
有助于提高使用寿命, 完全符合厨房炊具的标准。
有密度小、耐蚀和耐氧化的优点,
在航空和汽车工
、
与基底结合性好等优点。
准晶的导热性较差，但由于层厚较薄,
业的发动机等部件中,
有潜在应用价值。
不会影响到
不粘锅的使用。
(2)准晶作为构造材料增强相的应用
(b)准晶纳米颗粒增强Al基合金
(a)准晶相作为时效强化相
(4)固态反响法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在
一定温度下加热进展互扩散, 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,
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)电子构造 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
类合金(M-VIII组元素)
二十面体相:二元系
二十面体相:
二十面体相:Mg
二元系
NiTi
Al-Mn
Al-Pd
Al-Cr
4CuAl
6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr
2 FeTi
2
八边形相:三元系
三元系Cr-Ni-Si
Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5
包括Melt-Spining法, 电子束外表扫描法和雾化制粉
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展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展辐照可以获得准晶。
有密度小、耐蚀和耐氧化的优点,
在航空和汽车工
、
与基底结合性好等优点。
准晶的导热性较差，但由于层厚较薄,
业的发动机等部件中,
有潜在应用价值。
不会影响到
不粘锅的使用。
(2)准晶作为构造材料增强相的应用
(b)准晶纳米颗粒增强Al基合金
(a)准晶相作为时效强化相
(4)固态反响法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在
一定温度下加热进展互扩散, 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,
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)电子构造 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
类合金(M-VIII组元素)
二十面体相:二元系
二十面体相:
二十面体相:Mg
二元系
NiTi
Al-Mn
Al-Pd
Al-Cr
4CuAl
6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr
2 FeTi
2
八边形相:三元系
三元系Cr-Ni-Si
Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5
包括Melt-Spining法, 电子束外表扫描法和雾化制粉
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展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展辐照可以获得准晶。
准晶简介
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。
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。
准晶简介-精品文档
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
准晶材料制备技术
准晶材料制备技术
准晶材料的特性
一、准晶是一种亚稳相，结构易发生弛豫
在加热过程中原子位置会发生一定的变化， 结构 发生弛豫，弛豫热一般为0.1~0. 2kJ/mol。由较高冷却 速率得到的准晶的稳定性较高， 弛豫热也较高，约达 0.4kJ/mol。弛豫温度与准晶的成分、结构有关，一般 在340-640K。准晶在结构弛豫时，性能也发生相应的 改 变，例如Al84 Mnl6 准晶在结构弛豫后弹性模量约增 加1％。
准晶材料制备技术
6.4 准晶的制备方法
制备非晶态材料的方法都可用来制备准晶，主要有： ➢ 快速凝固法（主要制备准晶方法） ➢ 表面熔化法 ➢ 离子束混熔 ➢ 非晶态合金退火 ➢ 机械化学等方法
准晶材料制备技术
1、冷凝速度 当熔体快速冷却时，原子簇无规排列，便形成非晶态材料； • 熔体冷却得很慢，原子可以扩散，原子簇之间可协调相互 位置，使其具有长程周期序，便成 为晶态相。 • 只有当冷凝速度在一定范围内的时候，晶态相来不及成核， 长大，原子簇根据本身的对称 性，按一定的几何规律，相互 联结起来，形成准晶。 • 准晶形成最佳冷却速度：Al-Mn合金，当冷却速率＞l06K/s 时，形成20面体准晶。
式中，ni 是整数。三维准点阵与二维彭罗斯图类似不具 有平移对称性，相邻两线段之比也由下面的数组成：
准晶材料制备技术
20面体准点阵的倒易点阵也是一个20面体准点阵。 因此，准晶也产生明锐的斑点衍射。 • （TiV)2 Ni， Ti2 Fe，Mn3 Ni2 Si，A145 Cr7 Mg32 (Al、Zn)49 ，Cu4 Cd3 ，A1-V，Al-Mo等合 金中皆观察到5次准晶。
准晶材料制备技术
准晶合金的电阻率高，电阻温度系数则甚小, 其电阻随温度的变化规律也各不相同。准晶的电阻 率对结构的完整性十分敏感，准晶结构越完整电阻 率越高。此外, 准晶的电阻率具有负的温度系数， 即电阻率随温度的升高而下降。
准晶材料的特性
一、准晶是一种亚稳相，结构易发生弛豫
在加热过程中原子位置会发生一定的变化， 结构 发生弛豫，弛豫热一般为0.1~0. 2kJ/mol。由较高冷却 速率得到的准晶的稳定性较高， 弛豫热也较高，约达 0.4kJ/mol。弛豫温度与准晶的成分、结构有关，一般 在340-640K。准晶在结构弛豫时，性能也发生相应的 改 变，例如Al84 Mnl6 准晶在结构弛豫后弹性模量约增 加1％。
准晶材料制备技术
6.4 准晶的制备方法
制备非晶态材料的方法都可用来制备准晶，主要有： ➢ 快速凝固法（主要制备准晶方法） ➢ 表面熔化法 ➢ 离子束混熔 ➢ 非晶态合金退火 ➢ 机械化学等方法
准晶材料制备技术
1、冷凝速度 当熔体快速冷却时，原子簇无规排列，便形成非晶态材料； • 熔体冷却得很慢，原子可以扩散，原子簇之间可协调相互 位置，使其具有长程周期序，便成 为晶态相。 • 只有当冷凝速度在一定范围内的时候，晶态相来不及成核， 长大，原子簇根据本身的对称 性，按一定的几何规律，相互 联结起来，形成准晶。 • 准晶形成最佳冷却速度：Al-Mn合金，当冷却速率＞l06K/s 时，形成20面体准晶。
式中，ni 是整数。三维准点阵与二维彭罗斯图类似不具 有平移对称性，相邻两线段之比也由下面的数组成：
准晶材料制备技术
20面体准点阵的倒易点阵也是一个20面体准点阵。 因此，准晶也产生明锐的斑点衍射。 • （TiV)2 Ni， Ti2 Fe，Mn3 Ni2 Si，A145 Cr7 Mg32 (Al、Zn)49 ，Cu4 Cd3 ，A1-V，Al-Mo等合 金中皆观察到5次准晶。
准晶材料制备技术
准晶合金的电阻率高，电阻温度系数则甚小, 其电阻随温度的变化规律也各不相同。准晶的电阻 率对结构的完整性十分敏感，准晶结构越完整电阻 率越高。此外, 准晶的电阻率具有负的温度系数， 即电阻率随温度的升高而下降。
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1.准晶体研究进展 准晶体研究进展
• 目前，国际国内对准晶体的结构及其稳定 性研究较透彻，而对它的物理性质（尤其 是热力学性质）方面的理论研究很少。从 目前来看，除了一维准晶情况外，准晶体 的物性研究无论是实验还是理论方面都还 处于开始阶段。 • 目前研究的瓶颈在于实验上，毫米级的大 块准晶单晶不易制备，从而限制了物理性 质的实验研究。实验数据的缺乏也反过来 制约了理论研究的进展。
1、几何晶体学的发展简史 、
• 1669年斯登诺、1783年爱斯尔发现晶面夹角 守恒定律.。 • 1805-1809年魏尔斯发现晶体对称定律(只存 在1,2,3,4,6次轴)。 • 1830年赫塞尔、加多林推导出晶体外形对称 元素宏观对称类型共有32种（即32种点群）。 • 1848年布拉维指出确定了空间点阵的14种形 式（即14种布拉维点阵）。 • 1889年松克提出晶体全部可能的微观对称类 型共有230种（即230个空间群）。
• 准晶体有别于晶体的最大特点是，具有 准周期性结构，即不具有传统的平移周 期性，但又有别于非晶体的无序排布。 因此，准晶体可以拥有五次及六次以上 的旋转轴。 • 数学上已经证明，具有平移性的晶体不 存在5及6以上旋转轴。
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数学家在准晶发现之前已经从理论上对准晶的 存在给出了预言。1974年 R.Penrose发现一种 非周期可填满整个空间的图形结构Pentaplexity
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2、X射线晶体学的发展简史 、 射线晶体学的发展简史
• 1909劳厄发现晶胞对X射线散射中的散射波叠加 平均效应 • 1912年劳厄、厄瓦尔得到第一张Ｘ射线衍射图 ，发现晶体Ｘ射线衍射效应，建立了Ｘ射线光谱 学。 • 1913莫斯莱建立莫斯莱定律。 • 1956-1960年，电子显微镜下观察了大量的晶体 结构晶格相， 高分辨率透射电子显微镜分辨率 <0.1nm 晶胞尺寸。 • 1984年，谢赫特曼发现第一个准晶体，准晶体 学分支学科形成。
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Pentaplexity分形结构 分形结构
• Pentaplexity具有分形结构，可以证明不具有 平移周期。 • 类似的还存在“一维Pentaplexity”，其节点 距离满足以下Fibonacci数列，同样具有自相 似性。
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二维Pentaplexity化学与分子工程学院关键词： 关键词：准晶体
准晶材料
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内容概览
一、晶体学的发展历史与准晶体的出现 准晶体的定义、 二、准晶体的定义、实例展示 准晶体的结构、 三、准晶体的结构、性能介绍 四、准晶体研究进展与准晶材料应用 五、参考文献与致谢
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一、晶体学的发展历史 与准晶体的出现
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1985年T.Ishimasa 得到 年 得到NiCr 准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 不久中国科学家陈焕等得到 V-Ni-Si准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 准晶 1987年王宁 得到 年王宁 得到Cr-Ni-Si 准晶（ 次轴 次轴） 准晶（8次轴）
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3、准晶体的历史渊源和现状概括 、
500年前，伊朗 的伊斯法罕有一 座古老的清真寺， 上面的砖片图案 就是按照准晶样 式排列的，这是 准晶最早的溯源。
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1961年，数学家王浩提出了用不同形状的拼 图铺满平面的拼图问题。数学家们已经知道，可 以用单一形状的拼图拼满一个平面 1976年，Roger Penrose构造了一 Penrose 系列只需要两种拼 图的方法，这种方 法拼出来的图案具 有五次对称性。即 Penrose拼图（后 文详细介绍）
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2.在2008年9月 Joan M. Taylor发现一种 在 年 月 发现一种 带花纹的六边形 可以非周期性的铺满整个平面
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Joan M. Taylor给出了一种三维准周期结构，对 给出了一种三维准周期结构， 给出了一种三维准周期结构 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。
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两个现在比较热 门的研究焦点
1.分子准晶 分子准晶 这一分子准晶是以具有十则对称的10,5-Coronene 为核心的分子为结构基元在Penrose tiling(由一胖 一瘦两种菱形组成的准对称构形)上“拼” 成。
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2.准晶体实例 准晶体实例
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Ag-Al准晶
Al-Rh准晶
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Al-Cu-Co十次对称棱柱状准晶
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Ti-Ni准晶
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三、准晶体的结构、 准晶体的结构、 性能介绍
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1.准晶体的结构介绍 准晶体的结构介绍
是否具有“三维 是否具有“三维Penrose”拼图 ”拼图?
答案似乎是显然的，但并非 二维Penrose拼图在第三维上 的简单拓展，而是寻找一个 全新的结构来填充整个空间。
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1978-1982 Mackay提出了三 提出了三Penrose拼图 拼图5 提出了三 拼图 次轴存在的可能性
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1987年，法国和日本科学家制出足够 大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜 直接观察到这种晶体。至此，谢赫特曼的 理论才得到科学界的认可。
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诺贝尔奖评选委员会 在高度评价了谢赫特 曼研究的同时，也对 全世界科学家们发出 了警告：“即使最伟 大的科学家也会陷于 传统藩篱的桎梏中， 保持开放的头脑、敢 于质疑现有认知是科 学家最重要的品质。”
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2.准晶材料的应用现状 准晶材料的应用现状
1.作为表面改性材料 作为表面改性材料 2.炊具表面材料 炊具表面材料 3.隔热材料 隔热材料 4.作为结构材料增强相 作为结构材料增强相 5.储氢材料 储氢材料 6.太阳能工业薄膜材料 太阳能工业薄膜材料
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五、参考文献与致谢
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Danielle.Shechtman
(1941-)理论物理学家 • 1982年，他率先在实验室 环境下发现准晶体“现象. • 1984 1984年，另一个研究小组 独立发现类似现象，两个小 组的研究结果得以同时发表。 准晶体的相关研究成果已被 应用到材料学、生物学等多 种领域。 • 2011年获得诺贝尔化学奖
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• 在准晶的研究方面 ，我国 的水平几乎与国外同步 。 1984年中科院沈阳金属所 郭可信院士领导的研究组 在 急冷合金中发现了二十 面体准晶，这是首例非Al 基准晶相 。随后 ，又发现 了一系列新准晶种类，如 二十面体准晶、硅化物准 晶等。
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一些比较重要的准晶组成、结构。 一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表
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二、准晶体的定义、 准晶体的定义、 基本特征与实例
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1.准晶体的定义与基本特征 准晶体的定义与基本特征
• 物理学定义：准周期晶体，简称称准晶 物理学定义：
体，是介于晶体与非晶体(玻璃体)之间的 中间形式；准晶具有完全有序的结构，不 具有晶体所应有的平移对称性，具有晶体 所不允许的宏观对称性。 • 基本特征：理想的准晶体是由两种以上 基本特征： 有“原胞”在空间无限地重复构成的，这 些“原胞”的排列具有长程的准周期平移 序和长程指向序。
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然而直到1984年D.Shechtman才通过骤冷 年 才通过骤冷Al-Mn 然而直到 才通过骤冷 合金得到了第一个人工准晶体
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m35对称元素投影图 对称元素投影图
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1985 L.Bendersky Al-Mn 10次轴 次轴 次年中国科学家冯国 光发现Al-Fe 10次轴 光发现 次轴
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1984年，丹尼尔·谢赫特曼发现了三维世界中的 20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的 菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生 于融化后快速冷却的Al-Mn合金中。 2009年，矿物学上的一个发现 为准晶是否能在自然条件下形 成提供了证据：俄罗斯的一块 铝锌铜矿上发现了 Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。
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谢赫特曼的准晶之缘
1982年4月，谢赫特 曼在研究一种铝锰合金时， 发现其中的“晶体”物质 存在10次对称轴。它的电 子衍射照片在旋转36° （十分之一周）后，才能 使旋转前后的照片上的衍 射斑点完全重合在一起。
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• 当时，国际上大多数科学家都反对准晶体理 论，但是谢赫特曼还是坚持准晶体的研究。 其中，反对最激烈、声望最高的是两度获得 诺贝尔奖的莱纳斯·鲍林（1945&1962）. • 鲍林曾经在一场新闻发布会上说：“谢赫特 曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科 学家。”鲍林还发表了不少晶体结构方面的 文章，想方设法要把谢赫特曼的准晶体归纳 到传统的晶体学教科书里。由于鲍林在国际 化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家” 的称谓不胫而走。
化学与分子工程学院 • 参考文献 Penrose R.Pentaplexity:A Class of non-periodic tilings of the plane.Math.Intelligencer,1979,2:32~37 Crystallography and the Penrose Pattern.Physica,1982,A114:609~613 Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1984,53:1951~1953 Bendersky L,Schaefer R J,Biancaniello F S,et al.Icosahedral Al-Mn and related structures:resemblances in structure.Scr.Metall.,1985,19:909~914 Fung K K,Yang C Y,Zhan Y Q,et al.Icosahedrelly related decagonal quasicrystal in rapidly cooled Al-14-at%-Fe alloy.Phys.Rev.Lett.,1986,56:2060~2063 Ishihara K N,Yamamoto A.Penrose Patterns and related structures,I.Superstructure and generalized Penrose Patterns.Acta Crystal ogr.,1988,A44:508~516 Wang N,Chen H,Kuo K H.Two-dimensional quasicrysta with eightfold rotational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1987,59:1010~1013 Bersill,L.A.and Peng Ju-lin,Penrose tiling observed in a quasicrystal1985,Nature,316(4),50-51. Levine.D,Steinhardt P J,Mean-Field Theory of Quasicrystalline Order.Phys.Rev.Lett,1985.54:1524 An aperiodic hexagonal tile.Joan M. Taylor