准晶形成机制
准晶、准晶凝固及其在材料工程上的应用(一)
准晶、准晶凝固及其在材料工程上的应用(一)朱祖昌;杨弋涛;陈思悦【摘要】准晶是不具有三维周期平移序,而只具有准周期长程平移序和旋转对称性的新固体结构形态.Shechtman发现准晶使人们对晶体的认识发生了根本性变化.正是因为如此,原来的“原子在空间的规则重复排列”的晶体定义已改为“具有本质的明锐衍射花样的任何固体”.准晶绝大多数出现在Al基合金中.准晶按热力学稳定程度分亚稳相和稳定相.在自然界还存在着一些天然态准晶.为此,准晶可由熔体快速凝固或慢速凝固予以制造,并且可以应用Bndgman和CzochrMski等方法制取准晶单晶.准晶具有一些独特的特性.准晶在材料工程上应用的核心点是在材料组织中出现准晶会使其力学性能得到提高.对铝基合金相应的方法可获得以准晶相为主体的组织和在固溶体的基体上出现准晶相.对钢铁材料是通过合金成分设计和热处理方法研究使在材料基体上弥散析出准晶相.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P68-74)【关键词】准晶;凝固;铝基合金;马氏体时效钢;弥散析出;应用【作者】朱祖昌;杨弋涛;陈思悦【作者单位】上海工程技术大学,上海201620;上海大学,上海200072;上海市机电设计研究院有限公司,上海200040【正文语种】中文【中图分类】TG111.4自从Shechtman1982年发现准晶和在1984年发表后，准晶的研究在全世界范围内风起云涌般地开展。
特别在1986年发现了热力学上稳定的准晶相和2009年在自然界存在天然态准晶以后，这就使研究和应用准晶进入了全新的时期。
本文对准晶的发现、分类、准晶凝固、准晶相关性能和应用作比较详细论述，使材料工作者有相当清楚的认识，并能从事准晶在材料工程方面的应用研究。
以色列海法(Haifa)市以色列理工学院材料工程系的材料科学博士丹尼尔·谢赫特曼(Daniel Shechtman)于1981～1983年参加美国Johns Hopkins大学访问度假工作时，与美国马里篮州盖瑟斯堡市的美国国家标准技术研究所(NIST)合作研究Al-过渡金属合金快速凝固项目。
单晶、多晶、非晶、准晶、微晶的区别
单晶、多晶、非晶、微晶、无定形、准晶的区别何在？要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。
我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚！自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。
晶体共同特点：均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
各向异性：晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。
规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。
可参考《晶体学中的对称群》一书（郭可信，王仁卉著）。
与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶，如玻璃，非晶碳。
一般，无定型就是非晶英语叫amorphous，也有人叫glass(玻璃态）.晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。
首先提出这个概念的是凝固理论。
从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。
晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。
多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。
英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。
有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参数。
对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能（力学性能）越好，好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂。
所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。
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）。
矿石的晶体学和晶体生长机制
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温度：影响晶体的生长速度和结晶度
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压力：影响晶体的生长速度和结晶度
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溶液浓度：影响晶体的生长速度和结晶度
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杂质：影响晶体的生长速度和结晶度
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晶体生长环境：影响晶体的生长速度和结晶度
矿石的晶体生长实验研究方法
04
实验设备与技术
实验设备：包括显微镜、电子显微镜、X射线衍射仪等
矿石的晶体学和晶体生长机制
,
汇报人：
目录
矿石的晶体学基础
矿石的晶体生长机制
矿石的晶体生长影响因素
矿石的晶体生长实验研究方法
矿石的晶体生长应用与前景
矿石的晶体学基础
01
晶体定义与分类
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晶体：具有规则几何形状和周期性结构的固体
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晶体分类：单晶、多晶、准晶、非晶
添加标题
单晶：由一个晶胞组成的晶体
技术方法：包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射等
实验步骤：包括样品制备、实验操作、数据分析等
实验结果：包括晶体生长速度、晶体形态、晶体结构等
实验过程与操作
实验材料准备：选择合适的矿石样品，准备实验仪器和设备
01
02
实验步骤：按照实验方案进行，包括样品处理、晶体生长、观察和记录等步骤
实验结果分析：对实验结果进行分析，得出结论
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多晶：由多个晶胞组成的晶体
添加标题
准晶：具有非周期性结构的晶体
添加标题
非晶：没有规则几何形状和周Hale Waihona Puke 性结构的固体晶体结构与性质
晶体结构与性质的关系：矿石的晶体结构与其性质密切相关，不同的晶体结构具有不同的性质
精品准晶简介演示文档
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。
准晶体的发现与应用
准晶体的发现与应用周宸材料科学与工程2009051005 2011-12-132011年的诺贝尔化学奖公布之后，科学界“天本地裂”。
来自以色列的科学家丹尼尔·舍特曼因发现准晶体而获奖。
准晶体颠覆了常年来的权威，打破了晶体学固有的格局。
所以，我对准晶体很感兴趣，于是查找了许多文献资料。
准晶体的定义是，物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔•谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。
其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。
然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”。
先来讲一下为什么准晶体一直不被认为存在。
就像孩子们的简单游戏所证明的那样，该解释对晶体可能拥有的对称性提出了限制。
假如你想通过排列一模一样的瓷砖来铺盖桌面，利用重复的三角形瓷砖可以完成这项含有技巧的任务，所以有可能制造出具有三重对称性的晶体；利用四边形和六边形瓷砖也可以完成这项任务，因此也可以制造出四重和六重对称性的晶体。
但是，利用五边形瓷砖无法完成这项任务，因为瓷砖之间总会有空隙。
于是，不可能存在具有可重复排列的五重对称性晶体。
因此，准晶体难以存在。
但是，科学家可以这样做。
1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。
如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。
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
准晶体的发现及意义
准晶体的发现及意义提要：准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
1982年准晶体的发现，给晶体学界带来了巨大的冲击，此后的数十年里，人们对于准晶体的探索从未停止，2009年，自然界发现天然准晶体化合物，时至今日，准晶体的原子排列组成与结构规律尚未被完全解析。
正文：原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
物质的构成由其原子排列特点而定[1]。
以色列科学家丹尼尔-谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体而一人独享了2011年诺贝尔化学奖：2011年，70岁的谢赫特曼将获得1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金，他发现了准晶体，这种材料具有的奇特结构，推翻了晶体学已建立的概念。
许多年以来，凝聚态物理学家们仅仅关心晶态的固体物质。
然而，在过去的几十年，他们逐渐把注意力转向“非晶”材料，如液体或非晶体，这些材料中的原子仅在短程有序，被称为缺少“空间周期性”。
准晶体的结构在20世纪之前就已经被建筑师熟知，例如在伊朗伊斯法罕的清真寺，上面瓷砖的图案就是按照准晶样式排列。
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，例如任意形状的四边形或者正六边形，但是当增加拼图单元的种类时，就能够构造出更多的拼满一个平面的方法。
两年后，王浩的学生Robert Berger构造了一系列不具有周期性的拼图方法。
之后铺满平面所需要的拼图种类越来越少，1976年Roger Penrose构造了一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。
1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。
非晶合金与准晶
非晶合金 与 准晶1.非晶态合金的发现长期以来，提到合金指的就是晶态合金。
提到非晶 态，指的是玻璃态的硅酸盐。
上个世纪六十年代，非 晶态合金的出现，改变了这种情况。
60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，用快速冷 却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非 晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的 冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、 良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材 料，获得很快发展。
2.非晶态合金的结构特征非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。
晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。
而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。
从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。
晶态材料与非晶态材料数值密度函数随距离变 化的示意图2.非晶态合金的结构特征非晶态固体与晶态固体相比，结构上的最本质的差别 是不存在长程有序性。
组成晶体的粒子在宏观尺度上 规则排列的周期性，就称为长程有序性。
在非晶态固体中，原子位置的空间分布并不是无规 则的，而是存在一种局域关联性，因此，在非晶态固 体中存在着极为明显的短程有序性。
所谓短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性，一 般是用在任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数) 来表示。
①非晶合金具有比普通金属更高的强度。
②非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理 性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。
③非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀 能力。
非晶态合金是均匀的多元固溶体，不 存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有 利于抗化学腐蚀。
非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。
单晶多晶非晶微晶无定形准晶的区别
单晶多晶非晶微晶无定形准晶的区别单晶，多晶，非晶，微晶，无定形，准晶的区别要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。
我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚～自然界中物质的存在状态有三种:气态、液态、固态固体又可分为两种存在形式:晶体和非晶体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体;晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。
晶体共同特点:均匀性: 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
各向异性: 晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点: 晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。
规则外形: 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对称性: 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉维点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。
可参考《晶体学中的对称群》一书 (郭可信，王仁卉著)。
与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶，如玻璃，非晶碳。
一般，无定型就是非晶英语叫amorphous，也有人叫glass(玻璃态).晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。
首先提出这个概念的是凝固理论。
从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。
晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。
多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。
英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。
有了晶粒，那么晶粒大小(晶粒度)，均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织(组织简单说就是指固体微观形貌特征)参数。
对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能(力学性能)越好，好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂。
所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。
准晶体的发现及应用
准晶体的发现及应用一．准晶体的定义准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。
20世纪80年代初以前，科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体，而随着以色列人达尼埃尔·谢赫特曼的一次偶然发现，固体物质中一种“反常”的原子排列方式跳入科学家的眼界。
从此，这种徘徊在晶体与非晶体之间的“另类”物质闯入了固体家族，并被命名为准晶体。
二．准晶体的结构银铝准晶体的原子模型物质的构成由其原子排列特点而定。
晶体是指原子呈周期性排列的固体物质，单晶体都具有有规则的几何形状，像食盐晶体是立方体、冰雪晶体为六角形。
而原子呈无序排列的则叫做非晶体，非晶体没有一定的外形，介于这两者之间的叫做准晶体。
也就是说，准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的空间周期性。
人们普遍认为，准晶体存在偏离了晶体的三维周期性结构，因为单调的周期性结构不可能出现五重轴，但准晶体的结构仍有规律，不像非晶态物质那样的近距无序，仍是某种近距有序结构。
尽管有关准晶体的组成与结构规律尚未完全阐明，它的发现在理论上已对经典晶体学产生很大冲击，以致国际晶体学联合会建议把晶体定义为衍射图谱呈现明确图案的固体（any solid having an essentially discrete diffraction diagram）来代替原先的微观空间呈现周期性结构的定义。
三．准晶体的发展历程准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。
1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金像，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。
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。
准晶体是1982年发现的，具有凸多面体规则外形的，但不同于晶体的固态物质，它们具有晶体物质不具有的五重轴。
高等物理冶金-准晶
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准晶的分类
(6L510L315L2)
三维准晶 原子结构在三维空间场作准周期排列。三维准晶主要
为二十面体型,包含6个5次对称轴、10 个3次对称轴和15个2次对
称轴。
二维准晶 原子结构是在主轴方向上呈周期性平移对称,而在与该
主轴正交的平面上呈准周期排列。 二维准晶包括8次、10次和12
Al-Mn合金的准晶相:
由一系列取向相同、棱或顶相连接的
20面体结构单元非周期性地连接而成,空
隙由无序分布的原子填充。
面体准点阵的倒易点阵也是一个20面体
20面体12个顶点由Al原子占据,Mn原
子位于20面体中心, Mn与A1原子之间有
。因此，准晶也产生明锐的斑点衍射。
序键合,各20个面体的取 向相同。
t
=
5+1
2
序列中: L成单或成双出现, S单个出现;
任意项均为前两项之和;
相邻项的比值逐渐逼近。
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L1
Symmetry in 2D arrangement of atoms
L2
L3
L4
L6
Rotary Symmetries are incompatible with translational periodicity:
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准晶的形成与制备
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。
al-cu-cr系准晶及其类似相的形成规律
al-cu-cr系准晶及其类似相的形成规律
Al-Cu-Cr系准晶及其类似相的形成规律
Al-Cu-Cr合金是一种重要的准晶形成体系，其特点是具有高强度和高韧性。
准晶是一种结构类似晶体而非周期性的物质，可以被认为是一种介于晶体和非晶态之间的结构状态。
在Al-Cu-Cr系合金中，准晶是由Al-Cu-Cr晶粒和类似晶粒共同构成的，其中类似晶粒是指由Al-Cu-Cr晶粒和其它元素围绕形成的非晶态结构。
在Al-Cu-Cr合金中，准晶形成的规律主要包括四个方面：
1. 成分设计：合理的成分设计是准晶形成的关键。
在Al-Cu-Cr系合金中，Cu 和Cr元素是准晶形成的主要元素，而Al元素则是晶粒的主体元素。
通过合理地控制Cu和Cr的含量，可以使准晶形成的温度范围变宽，且具有更高的强度和韧性。
2. 降温速率：降温速率对准晶形成也有很大的影响。
在快速冷却的条件下，合金中的液态区域会在过冷状态下凝固，形成非晶态结构，随着温度的升高，非晶态结构会逐渐转变为准晶结构。
3. 淬火温度：淬火温度也是影响准晶形成的重要因素。
在合适的淬火温度下，
合金中的液态区域会在过冷状态下凝固，形成非晶态结构，随着温度的升高，非晶态结构会逐渐转变为准晶结构。
4. 元素配比：合金中各元素的含量和配比也是影响准晶形成的重要因素。
在Al-Cu-Cr系合金中，Cu和Cr元素的含量对准晶形成有很大的影响，过高或过低的含量都会影响准晶的形成。
综上所述，Al-Cu-Cr系准晶及其类似相的形成规律主要受到成分设计、降温速率、淬火温度和元素配比等因素的影响。
通过合理地控制这些因素，可以获得具有高强度和高韧性的准晶合金材料。
准晶及准晶材料概览
下Fibonacci数列，同样具有自相似性。
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二维Pentaplexity
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是否具有“三维Penrose”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。
化学与分子工程学院准晶体及Leabharlann 晶体材料概览化学与分子工程学院
摘 要：准晶体翻开了晶体学新的一页，同时也在材料领
域开拓了新的研究方向。2011年诺贝尔化学奖授予以色列 科学家丹尼尔·谢赫特曼，以表彰他发现准晶体。可以说， 准晶体带来了材料化学、结构化学的革命；本报告通过对 准晶体的发现历史、结构、特性，应用等方面的讨论，增 加同学们对晶体学知识的了解，激发同学们对化学新兴领 域的兴趣。
• 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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Pentaplexity分形结构
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一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表
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两个现在比较热门的 研究焦点
1.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。
对于准晶体的认识
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 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。此外，准晶的热扩散系数和比热容都随温度的升高而增大。
[关键词]晶体；准晶体；晶体性质；准晶体性质；准晶体性能；准晶体的缺陷
1晶体、准晶体的基本特征
1.1 晶体、准晶体的概念
人们把一些具有规则几何多面体外形的固体物质称为晶体。实际上多晶体生长过程中受到物理化学环境的影响难以生成几何多面体外形，因此，仅仅有无规则的几何外形来区分是否是是不恰当的。准晶体在理想条下也能成规则几何多面体，但它们的几何对称与晶体又有本质区别。很明显，规则的几何外形并不是晶体、准晶体的本质，而只是一种外部现象，还有某种内在的、本质的因素存在，这就是它们分别具有的平移周期结构、平移准周期结构。
2.1.4 磁性能
准晶的磁性能是人们较为关注但又知之甚少的一个内容，这里主要介绍实验研究较多的 系二十面体准晶的磁性研究成果。根据研究 系准晶合金的直流和交流磁化率与温度之间的关系发现，其磁化率与温度之间遵守居里-外斯定律，显示负的居里温度，并在约10K时存在自旋玻璃转变。由直流磁化率与温度的关系求出含 为 的 及 系准晶合金的平均有效磁矩为1.4B。通过进一步的核磁共振、核比热与磁比热以及饱和磁矩的研究发现， 系准晶中并不是所有 原子都具有磁矩，且具有磁矩的 原子其磁矩大小也各不相同，具有一定的分布。
1.2.2 准晶体的各向异性
各向异性指晶体、准晶体的性质因观察研究方向的不同而表现出差异的特性。晶体、准晶体结构中质点排列的方式和间距，在不同的方向进行观察研究时，其各项性质将表现出一定的差异来，这种差异与它们的结构的对称性直接有关，这就是晶体、准晶体都具有各向异性的根源。
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：
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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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准晶形成机制
准晶是介于晶体与非晶体之间的一种结构，具有定向的局部有序性。
准晶的形成机制主要涉及以下几个方面：
1.原子排列周期性与无序性的共存：准晶的形成源于原子排
列周期性与无序性的共存。
在晶体中，原子排列具有长程
的周期性结构，而在非晶体中，原子排列则是无规则的。
准晶则具有介于这两者之间的有序-无序结构，有一定的
局部有序性。
2.簇组合理论：准晶形成可以通过簇组合理论来解释。
该理
论认为准晶是由特定大小的簇组合而成的，这些簇具有相
对稳定的结构和周期性排列性质。
这种簇组合可以通过统
计力学方法来预测和解释。
3.非整周期性：准晶的一个显著特征是非整周期性。
相比晶
体的简单周期性结构，准晶具有更为复杂的周期性，如五
重轴对称、十重轴对称等。
这种非整周期性是通过对称性
和周期性定则来描述和分类的。
4.增加的局部原子配位数：准晶的形成通常涉及原子的高配
位数。
传统晶体中，原子的配位数是有限的，而在准晶中，原子的配位数往往更高。
这种增加的配位数可以通过在晶
体中引入其他元素或非周期性原子排列来实现。
准晶形成机制是一个复杂的课题，目前仍未完全理解。
虽然有一些理论和模型可以解释准晶的形成，但准晶仍具有许多未解
之谜。
随着材料科学和准晶研究的不断发展，相信对准晶的形成机制将有更深入的认识和理解。