准晶晶体材料探究

准晶晶体材料研究

尹显富

内容提要：准晶体结构自1984年被报道以来，因其与传统晶体周期性不相容的专门结构，引起各国学者的极大兴趣。对准晶材料性能及应用研究结果表明，准晶材料因独特的结构而具有独特的性能，但由于材料科学迅猛进展，新材料层出不穷，而准晶材料所具有的一些优异的性能，能满足一些实际应用中传统材料所不能满足的要求。因此，了解其进展历程、掌握其理论基础、研究现状及其进展前景，关于研究开发能应用于实际生活、生产的准晶材料有着重要意义，这是本题的要紧内容。

关键词：准晶材料物理性质性能准晶结构

The physical properties of quasicrystalline materials and research progress

YinXianfu

Abstract: Quasi-crystal structure has been reported since 1984, because of its incompatibility with traditional periodic special crystal structure, causing great interest scholars from different countries. Alignment of crystal material properties and applied research results show that because of the unique quasi-crystalline structure of materials with unique properties, but because of the rapid development of materials science, new materials emerging, while the quasi-crystalline material with some of the excellent performance, to meet some practical applications of traditional materials can not meet the requirements. Therefore, understanding the development process, to grasp its theoretical basis, research status and development prospects for the research and development can be applied in real life, the production of quasi-crystalline materials is of great significance, which is the main content for this question. Keywords: Quasicrystal Physical properties Performance Quasicrystals

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目录

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绪论

准晶材料作为一种新兴材料，自从1982年准晶（Quasicrystal）的发觉至今，有关什么是晶体的辩论一直没有中断。我们明白，传统的晶体学基于晶体微观结构的周期性，晶体是绝对可不能出现5次和高于6次对称轴的。准晶的电子衍射图难道出现了5次对称，只好给那个新生儿起了个“准晶”的名字，具有对称性结构的固体都应该能够称之为晶体,只是其中传统晶体的定义是建立在一阶对称基础上——所谓1-4次对称以及6次对称。准晶则是建立在超对称基础上——所谓5次对称。考虑到光波的复合能够用这两种对称作出表示,那么 A crystal is a structure the description of which is much smaller than the structure itself（晶体是一种固体，远程与位置或平移周期性或规律性秩序）也许能够得到更直观的表达[1]。它已表现出许多优异的性能，从发觉至今只是二十几年的时刻，由于其专门的结构和性能，已引起了全世界科研工作者的极大兴趣，并认识到了这种新材料的进展潜力，因此，准晶材料将会是今后材料科学领域研究的一个重要方向，尤其是在其制备技术和应用方面,存在较大的进展空间。准晶薄膜尽管能够制得，但到目前为止，只有法国、日本、美国等几个国家真正掌握了其制备技术。另外，准晶仅在表面涂层、增强材料等几个方面得到了有限的应用，它所具有的独特的热电性、磁阻性、吸氢性、催化性等的应用都还需要

进行系统的研究和开发。这都预言了准晶材料将会有宽敞的应用前景，但现遇到的问题还需进一步的研究解决。

第1章准晶结构的确定、形成以及要紧物理性质

1.1 准晶结构的确定

在 1984 年准晶被发觉之前，物理学家一致认为固态物质存在的方式只有晶体和非晶体两类前者的结构周期有序的，其对称性受周期性的限制，只有固定的几种；后者的结构是长程无序的，仅短程有序，因而不存在任何对称性而准晶，即准周期晶体，是一种同时具有长程准周期平移有序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，它是一种新型的固态结构[2]，准晶的发觉，打破了旧的晶体学对固态物质的定义，震惊了整个

科学界由于其结构的独特性，准晶一直受到材料物理，化学数学等领域科学家的广泛关注随着对准晶研究的逐步深入，以及对其专门性质的全面认识，准晶差不多进展成为一门独立的分支学科，同时属于现代固体物理和材料学领域的前沿学科[3]。在准晶发觉之前，科学家们差不多开始了关于准周期结构的研究1974 年，英国数学家 Penrose 设计出一种准周期拼图[4](如图 a)，这种拼图首次用两种拼块按照严格的拼接规则构成了准周期图形，拼块是锐内角分不为 36 和 72 的菱形单元如此的准周期图形对晶体学产生了深远阻碍在上世纪80年代初，期晶体学家Levine和 Steinhardt[5]将Penrose拼图引入晶体学，获得五次对称的傅立叶变换图谱(如图 b 所示)，并提出了准点阵的概念1984年夏，Shechtman在美国马里兰州国家标准局与Gratias Cahn等科学家合作，采纳碎冷法制备A18Mn合金，通过电子衍射法分析，得到了具有明锐布拉格散射斑点的图像他们对衍射图样作进一步分析，发觉除了15个二次轴和10个三次轴外，还发觉了6个五次对称轴而几乎在同时，Levine和Steinhardt已从理论上计算出具有5次对称性的衍射图理论和实践的完美结合，充分确信了5次旋转对称的客观存在之后，他们在美国物理评论快报上发表了一篇题为具有长程取向有序而没有平移对称序的金属相的论文，报道了他们发觉的这种具有五重旋转轴的二十面体点群对称的合金相五重轴与周期点阵是不相容的，因此Shechtman等人的这一报道，

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在晶体学及与晶体学有关的各个学科中，如固体物理、固体化学、材料科学、矿物学等，产生了巨大阻碍，随后人们陆续在其它的合金系中找到各类准晶，对称性也扩展到八次、十次、十二次，充分确信了这种新型固态物质准晶的存在[6]。

1.2 准晶材料的概念

1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的AlMn合金中发觉了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了专门大的震动。不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。

1.3 概述准晶材料的要紧物理性质

准晶材料的要紧物理性质有力学性质与物理性质，包括力学性质的：

常规力学性能、高温力学性能、摩擦性能、表面抗氧化及不粘特性、弥散强化特性等，而物理性质有密度、导电性、导热性、光传导特性、磁性能、储氢特性等等。

第2章准晶材料的物理性质

2.1 力学性能

2.1.1 常规力学性能

准晶室温下的性能特点与一般金属间化合物相仿,表现为硬而脆。表1列出了部分准晶、陶瓷材料及高强铝合金的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性[7]。由表1中数据能够看出,准晶的硬度与陶瓷材料相仿,远高于高强铝合金,而韧性较低,仅为陶瓷的1/4～1/5,更不能与高强铝合金比。依照脆性材料的定量描述方法,即脆性材料的硬度与韧性之比(HV /K IC)[8]可知,准晶的脆性较大,是陶瓷材料的4倍以上。进一步的研究表

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明,准晶力学性能沿周期方向和准周期方向的差异不大,退火能够适量改善准晶的抗拉强度,但对硬度和韧性的阻碍不大。

2.1.2 高温力学性能

准晶位错周围存在许多分立的错排点,使位错的可动性大大降低,因此通常情况下准晶表现出极端脆性。然而,实验结果表明[9],准晶在某一较高温度以上也会发生明显的塑性形变,同时弹性模量和流变应力也都会随着温度的升高而降低。如A l2Cu2 Fe[10]二十面体准晶在 650℃以上、