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准晶材料的制备
整理：滕飞 2011-11-02
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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Ⅰ Al-Cu-Fe quasicrystal production
The structure of Al-Cu-Fe quasicrystal Al-Cu-Fe quasicrystals show a five-fold symmetry and are, thus, icosahedrally structured. An icosahedron is a polyhedron having 20 equilateral triangles, as shown in Fig. 1.
Fig.1 The shape of an icosahedron from different projections. (a)A general view,(b)along the fivefold axis,(c)along the three-fold axis,(d)along the two-fold axis.
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Al-Cu-Fe准晶材料的制备——快速凝固法
一、快速凝固法
1、急冷凝固
通过各种急速冷却的方法冷却合金液，金属相在合金液冷却过程 中来不及形核和长大，即从动力学方面抑制晶体相的形成，使合金由 液态直接转变为非晶态或准晶态。原则上所有用于制备非晶态材料的 急冷凝固法(如甩带法、单辊法、锤钻法等)都适用于制备准晶材料。急 冷凝固法是准晶最早的制备方法，也是目前使用最多的方法。一般只 能制备粉状、丝状及薄带状亚稳态准晶材料。
2、高压熔淬
利用高压促进物质冷凝的作用，使合金熔体在高压下以较低的冷 却速率就可获得常压下需要很高冷却速率(约l0℃/s)才能获得的一些亚 稳相和中间相，如非晶和准晶。该方法同样是以较低的冷却速率达到 了快速凝固的效果，并且所加压力是可控制的，因此有利于研究准晶 等形成的动力学过程。
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Al-Cu-Fe准晶材料的制备——快速凝固法
3、深过冷
深过冷技术是通过各种有效的净化方法，最大限度地避免或消除熔 体壁和熔体中异质形核作用，即从热力学方面抑制晶体相的形成，使合 金液获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度而实现快速凝固。 通常用于准晶制备的净化方法有熔体循环过热、玻璃熔体净化、电 磁悬浮熔炼以及玻璃包裹、熔盐净化与循环过热相结合等多种方法。目 前采用深过冷技术已在较多合金系中获得了大块准晶，如Φ6mm的高纯 度Al-Cu-Fe二十面体准晶球。 优点是可以不受外界散热条件的影响，在较慢冷速条件下获得急冷 过程中产生的组织，因而它不但是实现三维大体积快凝材料(如非晶、准 晶材料)的有效途径，同时也为研究准晶初生凝固的形核和生长形貌特点 创造了条件。
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Al-Cu-Fe准晶材料的制备——常规制备、机械合金化
二、常规制备
由于稳定准晶具有热力学稳定的特点，因此，只要控制好合金成 分，可以采用一些常规合金的制备和处理方法来制备稳定准晶。如李 邦盛等在氩气保护的钼丝加热炉中熔配的 A1-Cu-Fe 合金，经金属模浇 铸获得了成分为Al65Cu20Fe15的二十面体准晶。
三、机械合金化
通过钢球的撞击使合金粉末间进行反复的冷焊和断裂，形成层状 微结构，继而形成超细复合结构，最后通过固态扩散反应形成均匀的 准晶合金。经机械合金化技术处理后所得到的 A1-Cu-Fe 系合金晶相在 一定的温度下等温退火可形成准晶。 优点是合成亚稳态材料的工艺简单、成本低廉、体系广、产量大。
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