准晶材料
准晶材料
上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外， 上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外，还 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态的概念来自于Penrose提出的数学游戏。我们知道正 准晶态的概念来自于 提出的数学游戏。 提出的数学游戏 五边形不能不留空隙的充满一个平面。 五边形不能不留空隙的充满一个平面。但Penrose发现由下面两 发现由下面两 种四边形可以布满空间而不留空隙。 种四边形可以布满空间而不留空隙。
（a）风筝，（b）箭
Penrose拼接图案
分析两个四边形发现， 分析两个四边形发现，存在两种特 征长度，分别用 和 征长度，分别用1和
τ
表示。 表示。
1+ 5 τ= = 1.618 2
四边形中两种特征长度
准晶态结构的特点：具有长程的取向序而没有长程的平移对 准晶态结构的特点：具有长程的取向序而没有长程的平移对 取向序而没有长程的 称序（周期性）； 称序（周期性）； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性；沿取向 序对称轴的方向具有准周期性， 序对称轴的方向具有准周期性，由两个或两个以上不可公度的 特征长度按着特定的序列方式排列。 特征长度按着特定的序列方式排列。
根据前面对称性的讨论晶体没有五次或六次以上的对称轴但shechtman等人在用快速பைடு நூலகம்却方法制备的almn合金中发现了五重对称的电子衍射图案
第十节
准晶态
本节的重点： 本节的重点： 准晶态材料结构； 晶态材料结构；
根据前面对称性的讨论， 根据前面对称性的讨论 ， 晶体没有五次或六次以上的对 称轴， 等人在用快速冷却方法制备的AlMn合金中 称轴，但Shechtman等人在用快速冷却方法制备的 等人在用快速冷却方法制备的 合金中 发现了五重对称的电子衍射图案。 发现了五重对称的电子衍射图案。并且斑点的明锐程度不亚于 晶体情况。 晶体情况。
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。
准晶体的性能及其应用
准晶体的性能及其应用潘正根0943011041四川大学材料科学与工程学院摘要：1984年底, 美国国家标准局的Shechtman 等人报导了他们在急冷Al-Mn 合金中观测到五次对称电子衍射图的相, 它不具有传统晶体学的对称性，称这种具有5次对称而无周期平移序的物质为准周期性晶体（准晶）。
准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差，因此在日常生活中大有用武之地。
科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅和发光二极管等。
1准晶的性能1.1物理性能1.1.1密度准晶的密度比经过退火后得到的相同成分晶态相的密度约低2% , 这表明准晶中原子的排列虽然比较密集,但其有序度低于晶态合金。
1.1.2导电性与金属的导电性质相比，准晶显示出一种迥然不同的性质。
准晶一般有比较大的电阻；如在温度为4K 时二十面体准晶Al -Cu-Fe的电阻率ρ（4K）=4.3m Ω cm， I-Al-Cu-Ru 的电阻率ρ（4K）=30m Ω m。
当温度不太高时，准晶的电阻随温度的增加而减少，在AlCuCo 二维准晶中, 沿10次轴这个周期方向, 电阻随温度升高而增大（圆圈）, 与金属中的情况一致；而在与此正交的准周期方向, 电阻随温度升高而减小（圆点）, 与半导体相似。
这种反常的各向异性可能对制造电子器件有用。
美国贝尔实验室也在进行类似的研究。
准晶的电阻与其组分浓度有关。
实验发现，准晶的导电性能随样品质量的改善反而降低。
准晶异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响，它可以从准周期系统中电子结构的异常性中得到解释。
1.1.3导热性与普通金属材料相比, 准晶材料的导热性较差。
在室温下准晶的导热率比铝和铜低两个数量级、比不锈钢低一个数量级,与常用的高隔热材料ZrO2 相近。
与准晶的电阻率一样,准晶的导热性也具有负的温度系数,并且对准晶结构的完整性也较为敏感,即准晶结构越完整其导热性越差。
准晶材料的发展历程及其研究现状
准晶材料的发展历程及其研究现状摘要：本文介绍了准晶的定义、分类，并阐述了准晶材料的发展历程。
简要概括了准晶材料的国内外研究现状。
最后，概括《热处理对含有十二面体准晶相的Ti1.4V0.6Ni合金电极的电化学性质的影响》大意。
关键词：准晶材料；定义；发展历程1 准晶材料的定义自第一个具有突破传统晶体学范畴的5次旋转对称合金相问世以来，至今人们已相继发现了具有8次、10次和12次旋转对称的合金相，这些合金的电子衍射花样特征表现出不同于晶体的5次对称和高于6次、8次、10次、12次对称，这些差异表明准晶代表了一种新的固态结构。
但5次及6次以上对称在传统晶体中是不允许存在的，因为不能仅仅用这样的几何单元来堆垛成无空隙的空间。
所以这些合金相既不能称为晶体(没有周期平移对称性)，又不能称为非晶体(具有长程有序)。
人们把这种违反传统晶体学理论的合金相命名为准周期晶体(Quasi-periodic Crystal)，简称准晶(Quasicrystal)。
由此可以得到准晶的定义为：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。
2 准晶材料的发展1984年，美国科学家D.shechtman等[1]在研究用急冷凝固方法使较多的Cr、Mn和Fe等合金元素固溶于Al中，以期得到高强度铝合金时，在急冷Al-Mn合金中发现了一种奇特的具有金属性质的相。
这种相具有相当明锐的电子衍射斑点，但不能标定成任何一种布拉维点阵，其电子衍射花样明显地显示出传统晶体结构所不允许的5次旋转对称性。
DShechtman在美国《物理评论快报》上发表的“具有长程取向序而无平移对称序的金属相”一文中首次报道了发现一种具有包括5次旋转对称轴在内的二十面体点群对称合金相，并称之为二十面体相(Icosahedral phase)。
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。
准晶非晶液晶单晶
结构特点性能应用制备法准晶概念随着材料技术的发展，出现了一类结构不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列新的原子聚集状态的固体，这种状态被称为准晶态，此固体称为准晶。
结构既不同于晶体，也不同于非晶态，原子分布不具有平移对称性，但仍有一定的规则，且呈长程的取向性有序分布，可认为是一种准周期性排列。
一位准晶：原子有二维是周期分布的，一维是准晶周期分布。
一维准晶模型————菲博纳奇（fibonacci）序列其序列以L→L+S S →L(L,S分别代表长短两段线段）的规律增长，若以L为起始项，则会发现学列中L可以成双或成单出现，而S只能成单出现，序列的任意项均为前两项之和，相邻的比值逐渐逼近i，当n →∞时，i=（1+√5）/2二维准晶：一种典型的准晶结构是三维空间的彭罗斯拼图(Penrose)。
二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。
这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。
三维准晶：原子在三维上的都是准周期分布包括二十面体准晶，立方准晶。
性能准晶室温下表现为硬而脆，韧性较低，准晶材料密度低于其晶态时的密度，比热容比晶态大。
准晶大多由金属元素构成，由金属元素形成的晶体，他们的导电性是人所共知的，金属晶体这些导电性质相比，准晶体一般具有较大的电阻，当温度不太高是，准晶的电阻随温度的增加而减少，实验发现，准晶的导电性随样品质量的改善而降低。
其电阻率甚高，电阻温度系数甚小，电阻随温度的变化规律也各不相同。
应用准晶材料的性能特点是较高的硬度，低摩擦系数，不粘性，耐腐，耐热和耐磨等，但是准经材料的本质脆性大大限制了其应用，目前准经材料的应用主要作为表面改性材料或者作为增强相弥散分布与结构材料中，准经材料在表面改性材料中的应用将准晶材料以涂层，耐热，耐磨，低的摩察系数，耐腐，特殊的光学性能，从而改变材料表面的性质，优化整体材料的性能。
准晶简介
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。
准晶材料制备技术
晶体的结构是高度有序化的,它具有以原胞周期性排列 为特征的程平移序和满足晶体学点群为标志的最近邻价健长 程指向序.
相反地,非晶固体却不具备这种晶体长程相关性. 准晶体作为一种被新发现的晶体结构形态,在结构特征 上是处于两者之间的.
增加Al-Mn合金中的Mn含量，准晶的硬度随之增大。 A178 Mn22 准晶在室温的硬度超过700kg/mm2。
准晶虽然硬度高，耐磨性能并不一定好，Al-15wt%Mn2wt%Fe准晶的耐磨性比相应的晶态差。
准晶材料的特性
8、准晶的韧性差： 大多呈穿晶断裂，故准晶难于单独作为结构材料
使用，但可以将韧性好的晶态材料作基体，以准晶作 弥散第二相，可以提高材 料的综合性能。如果将准晶 的晶粒减小到纳 米尺寸后，准晶的强度和韧性都有很 大提 高， 如A1基合金中准晶晶粒减小到纳米量级后，材料中准 晶含量达70 -80％，材料的强度和韧性都超过不含准 晶的同类合金。
准晶材料的特性
6、磁性能——较为关注但知之甚少 研究Al2 M n系准晶合金的直流和交流磁化率与温度之间的 关系发现： ➢ 磁化率与温度之间遵守居里-外斯规律, 显示负的居里温度，
并在约10K时存在自旋玻璃转变。 ➢ 直流磁化率与温度关系求出含M n为20at%的Al2Mn及
Al2Mn2Si系平均有效磁矩为1. 4μB。 ➢ 进一步核磁共振、核比热与磁比热以及饱和磁矩研究发现，
准晶材料的特性
9、光学特性
高质量的准晶样品具有与绝缘体、半导体不同的光学特性。块体的 纯准晶或准晶薄膜，在很宽的波长范围内均有60%的反射率，比导电材 料Al、Fe要低，但优于半导体材料Si和绝缘材料。
6.2 准晶的形成机理
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上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外， 上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外，还 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态的概念来自于Penrose提出的数学游戏。我们知道正 准晶态的概念来自于 提出的数学游戏。 提出的数学游戏 五边形不能不留空隙的充满一个平面。 五边形不能不留空隙的充满一个平面。但Penrose发现由下面两 发现由下面两 种四边形可以布满空间而不留空隙。 种四边形可以布满空间而不留空隙。
五重旋转对称准晶图案
（a）风筝，（b）箭
Penrose拼接图案
分析两个四边形发现， 分析两个四边形发现，存在两种特 征长度，分别用 和 征长度，分别用1和
τ
表示。 表示。
1+ 5 τ= = 1.618 2
四边形中两种特征长度
准晶态结构的特点：具有长程的取向序而没有长程的平移对 准晶态结构的特点：具有长程的取向序而没有长程的平移对 取向序而没有长程的 称序（周期性）； 称序（周期性）； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性；沿取向 序对称轴的方向具有准周期性， 序对称轴的方向具有准周期性，由两个或两个以上不可公度的 特征长度按着特定的序列方式排列。 特征长度按着特定的序列方式排列。
第十节
准晶态
本节的重点： 本节的重点： 准晶态材料结构； 晶态材料结构；
根据前面对称性的讨论， 根据前面对称性的讨论 ， 晶体没有五次或六次以上的对 称轴， 等人在用快速冷却方法制备的AlMn合金中 称轴，但Shechtman等人在用快速冷却方法制备的 等人在用快速冷却方法制备的 合金中 发现了五重对称的电子衍射图案。 发现了五重对称的电子衍射图案。并且斑点的明锐程度不亚于 晶体情况。 晶体情况。