准晶体的性能及其应用
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。
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。
对准晶体的认识——固体物理学小论文
对准晶体的认识************班 *** **号摘要：准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体有下属一些性质：均一性、各向异性、对称性、自限性、最小性能性、稳定性。
关键词：准晶体对称性准晶体的性能准晶体的应用1 准晶体的基本特征1.1 准晶体的概念准晶体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。
1.2 准晶体的基本性质1.2.1 准晶体的均一性均一性指晶体、准晶体在其任一部位上都具有相同性质的特性。
晶体结构中的任何质点都是在3维空间作周期性的重复分布。
因此对于从同一晶体中分割出来的各个部分而言它们必定具有完全相同的内部结构，从而它们所表现出的各项性质也必定完全一致亦即都是均一的。
准晶体的结构与晶体结构虽然有所不同，但仍然都是有序结构，准晶体分割出来的不同部分放大或缩小都与整体结构仍然有相同结构特征，因此宏观反映出来的准晶性质仍然具有均一性。
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。
1.2.3 准晶体的对称性对称性是指晶体、准晶体中的相同部分如外形上的晶面、晶棱,内部结构中的相同面网、行列或原子、离子等，能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现的特性。
在任一晶体结构中的任一行列方向上，总是存在着一系列为数无限且成周期性重复出现的等同点。
准晶体结构中相同轴向上质点排列是相同的，但质点排列具有数学上严格的准周期性或统计意义上的准周期性。
显然这些就是一种变换中的不变性即对称性。
准晶体_精品文档
准晶体摘要：准晶体是一种具有有序但不具备传统晶体完全周期性重复结构的材料。
本文将介绍准晶体的基本概念、发现历史、晶体学特征、结构特点以及其在材料科学领域的应用等方面。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地了解这种材料的特殊性质，从而为今后的材料设计与合成提供更多可能性。
1. 引言准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的特殊材料，其结构既具有一定的有序性，又存在非晶体所特有的无规则局部结构。
准晶体的发现给传统晶体学观念带来了很大的冲击，使得人们重新审视晶体结构的多样性和复杂性。
2. 发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪70年代初。
当时，关于准晶体存在的猜测和研究已经逐渐增多，但直到1975年才有科学家首次成功合成出了一种具有五重旋转对称性的准晶体。
这个发现引起了极大的轰动，并引发了整个科学界对准晶体的深入研究。
3. 晶体学特征准晶体的晶体学特征与传统晶体存在一定的差别。
准晶体的晶胞通常具有五重旋转对称性，而不是晶胞中心对称或其他常见的对称性。
此外，准晶体的点阵常数通常不是整数，这也是准晶体与普通晶体的一个显著区别。
4. 结构特点准晶体的结构特点是其与传统晶体最大的不同之处。
准晶体的结构在宏观上呈现出高度有序的态势，但在微观上却存在着一些局部无规则的结构。
这种具有非晶体特点的局部结构是准晶体与普通晶体的本质区别。
5. 应用与前景准晶体具有独特的结构和性质，将为材料科学领域带来许多新的应用与前景。
准晶体在催化剂、材料增强、信息存储、光学器件等方面都有着广泛的应用。
未来，通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地利用准晶体的特性，实现更高效、更可靠的新型材料的开发与制备。
6. 结论准晶体作为一种介于晶体与非晶体之间的特殊材料，其结构和性质的研究具有重要的科学意义和应用价值。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更深入地了解准晶体的结构特点，为今后的材料设计与合成提供更多的可能性。
相信在不久的将来，准晶体将在材料科学领域发挥着重要的作用。
准晶体材料的性质与应用
准晶体材料的性质与应用准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的材料，其结构具有一定的有序性，但不符合传统晶体的周期性。
准晶体具有许多特殊的性质，因此在材料科学、物理学等领域有着广泛的应用。
1. 准晶体的性质准晶体的最显著特点是其结构对称性具有五重、八重等轴对称性，而非传统的三重对称性。
这种特殊的结构对称性在某些情况下可以表现出类似于激发物质的行为，使准晶体具有独特的物理和化学性质。
例如，准晶体具有很强的非线性光学效应、声学波的负折射、显微结构的“金点”等特殊性质。
准晶体的结构各异，但准晶体晶体的本质是长程有序的，这使得准晶体具有更高的热导率、强度和硬度，相比之下，非晶态材料通常有缺陷、孔隙和较差的热导率、强度和硬度。
因此，准晶体在透声学、膜、电池、催化剂、纳米制造等方面有非常广泛的应用前景。
2. 准晶体在透声学中的应用透声学是一种将短波长声波传输到材料中的方法，从而产生负群速的科技。
准晶体有效地抑制了声子传播，因此可以通过孔隙设计和微结构分析来制造出适用于透声学应用的板材。
准晶体透声学板材有更高的声学透射率和声学反射率，并能够有效地压制噪声和声振幅，广泛地应用于静音室设备、汽车、船舶等领域。
3. 准晶体在膜制造中的应用准晶体是一种理想的膜材料，具有优异的硬度、热导率和生物相容性。
这种材料可以被用作人工心脏和人工血管等医疗器械，用于治疗心血管疾病。
此外，准晶体膜还可以用作高温膜电容器和面层硬盘及其他数据存储设备的新型材料。
4. 准晶体在电池领域中的应用准晶体具有可缩放性，这意味着可以将其用于制造锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等大型储能设备。
这种物性可以让电池内的电解液更加均匀地分布，并减少了表面粘附问题，改善了电池的寿命和储能效率。
5. 准晶体在催化剂中的应用准晶体具有高比表面积、多结构和高度有序等特性，因此被广泛地应用于各种领域的催化剂中。
准晶体的多孔结构提供了大量的反应表面，因此可以有效地防止酸催化剂中的腐蚀和麻烦的沸腾等问题，同时也能提高反应速率。
准晶体的发展及其应用
3）热性能：准晶体的热性能一般不高，即它的导热系数K很小， 且与温度密切有关。
4）准晶都很脆，将它作为结构材料使用尚无前景、准晶的特殊结 构对其物理性能有明显的影响。
5）准晶的密度低于其晶态时的密度，这是由于其原子排列的规则 性不及晶态严密，但其密度高于非晶态，说明其周期性排列仍是较密 集的。
04Part four 准晶体的制备
如何制备准晶体
除了少数准晶为稳态相之外，大多数准晶相均属 于亚稳态产物，它们主要通过快冷方法形成，此外经 离子注入混合或气相沉积等途径也能形成准晶。准晶 的形成过程包括形核和生长两个过程，故采用快冷方 法时其冷却速度要适当控制。
制备方法：定向凝固法、自熔体法、深过冷快速凝固 法。
钬-镁-锌十二面体准晶
Penrose拼图。可以看到平面中仅由 宽窄两种菱形构成，中间的球也由这 两种菱形构成
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三维物理空间的材料，其中的原子有二维是准周期分布的，另外一维是 周期分布的。实验上发现，二维准晶有十次准晶、十二次准晶、八次准晶、 和五次准晶四类。 三、三维准晶
三维物理空间的材料，其中的原子在三维上都想准周期分布的。实验上已 经发现的三维准晶有二十面体和立方准晶两大类。
准晶体的性质
3）理论上的准晶体应有下述一些性质：均一性、各向异性、对 称性、自限性、最小内能性、稳定性
准晶体的发展及其应用
准晶体的定义
准晶体
亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。 在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶 不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、 四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如 五次对称性或者更高的六次以上对称性。
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。
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。
准晶体——21世纪的新奇材料
21世纪的新奇材料：准晶体——综述准晶体的奇异物性和可能用途专业：物理学姓名：张文斌学号：09405130 摘要：2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔▪谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。
准晶体的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能，也大大激发了人们对其研究的热情。
本文主要从两个方面论述这一新奇材料：即准晶体的奇异物性和可能用途。
关键词：诺贝尔化学奖准晶体奇异物性可能用途正文：2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔▪谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。
诺贝尔化学奖评选委员会在发表的声明中表明：从原子级别观察准晶体形态，会发现原子排列具有规律，符合数学法则，但不以重复形态出现。
获奖者的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，改变了科学家对固体物质结构的认识；准晶体的发现，因此而成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能以及可能用途，也大大激发了人们对它的研究热情。
一、准晶体及其发现：何谓准晶体呢？所谓准晶体，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。
准晶体具有完全有序的结构：在准晶体的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶体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，这一点又和晶体不同。
普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。
关于准晶体的发现，其过程具有很大的传奇性。
关于这种长程有序的结构，其实早有发现，数学家在1960年代就推测出了这种对称模型；但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶体的研究联系起来。
准晶体 (2)
准晶体简介准晶体是一类介于晶体和非晶体之间的特殊结构物质。
与晶体具有一定的有序性，但又不完全符合晶体的周期性。
准晶体的发现在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。
本文将介绍准晶体的定义、发现历史、结构特点及应用领域等相关内容。
定义准晶体是指具有长程有序但不具备完全晶体对称性的结构。
相比于晶体的周期性排列，准晶体的周期性具有更高的复杂性。
准晶体的单位结构具有多种不同的对称元素，如旋转对称、镜像对称和滑移对称等，使得准晶体具有多种不同的结构。
发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪50年代末期。
1961年，丹麦科学家贝尔内尔斯（Shechtman）在进行合金研究时，观察到了一种五角对称的晶体衍射图样，该发现与传统晶体的对称图案有所区别。
然而，贝尔内尔斯的发现一度受到了科学界的质疑和争议，被认为是错误观察结果。
经过多年的研究和探索，贝尔内尔斯的发现最终得到了确认，并于2011年获得了诺贝尔化学奖。
结构特点准晶体的结构特点是其最具有特色的特征之一。
准晶体的周期结构中存在不成比例的单位。
这些单位覆盖了空间，通过旋转、滑移和倾斜等运动产生多种对称元素。
准晶体的对称性和周期性都是以高度复杂的方式出现的，使得准晶体呈现出丰富的结构多样性。
准晶体的结构通常可以通过X射线衍射、透射电子显微镜等实验技术进行表征。
通过这些实验，可以建立准晶体的空间群、晶胞参数等参数，揭示准晶体的周期性和有序性。
应用领域准晶体由于其特殊的结构和性质在多个领域具有广泛的应用潜力。
在材料科学领域，准晶体被用于开发新型合金材料。
准晶体合金具有较高的强度、硬度和耐磨性等优异性能，广泛用于制造航空航天、汽车和电子设备等领域的高性能零件和工具。
准晶体还在表面涂层技术中得到应用。
利用准晶体的特殊结构和性质，可以制备出表面硬度高、磨损性能优良的涂层材料，用于提高复合材料和金属零件的表面性能和耐久性。
此外，准晶体还具有光学、电学和磁学等性质，被应用于光学器件、传感器、电子器件以及催化剂等领域。
准晶的讲义
一维晶体
• 重点介绍一维晶体-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
倒易点阵
e=(e1,e2,e3,e4,e5,e6)Ej=(E1E2E3E4E5E6)
准晶的力学性质
• 准晶室温下表现为硬而脆，韧性较低
• 炊具表面材料：不粘锅底（只是薄层，因 为准晶的导热性较差） • 隔热材料：准晶的热导性 • 太阳能工业薄膜材料：准晶的特殊光学性 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）
• 什么是量子干涉？ • 就是电子波在传播路上会互相干涉，这就 是量子干涉效应，实际上，电子在运动中 还可能受到外磁场或电子本身自旋与散射 产生的轨道运动间的作用而发生相干散射， 由于这些散射时间在不同条件下相对大小 不同，以及他们本身一般都与外场和温度 有关，因此，准晶磁阻也就出现复杂的情 形。
准晶的磁性行为
金属中的电子在磁场力的作用下会改变其运动方向， 这种偏离运动增加了它同晶格或杂质原子的碰撞 机会，从而金属电阻率将增加，称为磁致电阻 （磁阻） 实验观测到，高电阻的准晶磁阻比较大，当温度t不 太高时，准晶磁致电阻的情况将更加复杂，例如ial-cu-fe的磁阻在t《100k时为正，且随外场增加 而增加，但若t》100k时，磁阻将为负，且随外场 增加而减少。这种现象可以用量子干涉效应来解 释
• 物质在磁场中的行为通常有逆磁，顺磁， 铁磁，和反铁磁。 • 实际观察到，准晶在磁场中同样也有逆磁， 顺磁，铁磁，和反铁磁这些不同的行为 • 他们与金属的浓度，环境，温度，以及金 属的不同有关。
准晶体
性质3：最小内Βιβλιοθήκη 及稳定性晶体 ， 准晶体在相同的热力条件下 , 较于同种化学成分 的气体液体及非晶质而言 ,准晶体内能较小，晶体的内能 为最小。 晶体结构是一种有序结构。具有周期平移格子构造的固 体, 其内部质点在三维空间均成周期性平移重复的规则排 列 , 这种规则排列是质点之间的引力和斥力达到平衡的 结果准晶结构也是一种有序结构，其中质点呈准周期平 移排列 , 这种结构形式是较为稳定方式或准稳定方式。 在此类情况下 , 无论是使质点间的距离增大或是减小都 将导致质点的势能增加 这就意味着 , 在相同的热力学条 件下 , 准晶体的内能较小 , 晶体的内能应为最小。
性质2：准周期性
众所周知，五次对称性和周期性是不能共 存的。如果坚持五次对称，就必须考虑准 周期性。如图3，沿与5次轴正交的一个轴 看去（用箭头表明），线段的长度并不是 随意的，而仅有一长一短两种，他们的比 值恰好是黄金分割数1.618…，且图中所有 夹角都是π/5的整数倍。也就是说，虽然这 种二维结构中不具有周期性，但也不是完 全混乱无序的，无论是长度还是夹角都有 定值。
准晶体及其性质
概念
准晶体，是一种介于晶体和非晶体之 间的固体。准晶体具有与晶体相似的
长程有序的原子排列，但是准晶体不
具备晶体的平移对称性。
长程有序
若关联函数随空间距离增大收敛至非零常数则为长程有序，以幂函数形式 衰减至零则为准长程有序，以指数函数衰减至零则为短程有序。
性质1：五次旋转对称性
在传统结晶学中，五次对称会破坏空间点 阵的平移对称性，即不可能用五边形布满 二维平面，也不可能用二十面体填满三维 空间。英国人彭罗斯便在前人工作基础上 提出了一种以两种四边形的拼图铺满平面 的解决方案。准晶的形态中隐藏着美妙的 数学常数τ，亦即黄金分割数1.618……。彭 罗斯拼图以一胖一瘦两种四边形（内角分 别为72度、108度和36度、144度）镶拼而 成，两种四边形的数量之比正好是τ；同 样的，在准晶中，原子之间的距离之比也 往往趋近于这个值。
准晶
4，准晶的概念现在不仅仅在合金中，科学家们已经人工合成出了一些高分子的准晶，如liquid quasicrystal, 最近一些做合成的人又合成了一些纳米粒子，这些纳米粒子能够自组装成具有准晶结构的纳米结构。准晶的结构还为设计新型的材料提供了思路，比如光子准晶。
5，目前对于准晶的研究有几个方向。首先，是新型准晶的发现，尤其是稳定的二元准晶；其次，大尺寸准晶单晶的制备，这个是很多物理性质、表面性质研究的基础，因为准晶的组分严格，单晶生长的窗口小，所以做起来比较困难；第三，准晶的结构解析方法的建立；第四；也是很重要的，准晶物理性质的研究和控制，准晶有很多很好的物理性质，但是很难应用，如果能有效的调控这些物理性质，对开发准晶的应用将有很好的指导意义；第五；准晶的表面结构和性质，准晶一些优良的表面性质与其表面结构有着紧密的联系，但是对准晶表面结构的了解还不够，并且准晶作为一种准周期结构的衬底，在上面生长具有准周期结构的薄膜或者纳米结构在物理研究上也是很有意义的。
2，准晶的结构非常复杂，很难通过常规的方法解析。准晶没有周期性，所以没有晶胞的概念，从另一个角度也可以说准晶的晶胞是无穷大的。准晶的结构解析在实验上存在很多的困难，通过电子衍射和X射线衍射的方法可以得到大概的结构，但是很难确定不同元素原子的位置。An Pang Tsai发现的Cd-Yb准晶是一个特例，因为里面只有2中元素，大大的简化了结构解析，经过多年的努力An Pang Tsai跟他的合作者最终把Cd-Yb准晶的结构成功的解析出来，从而使得Cd-Yb准晶成为第一个结构清楚的准晶，为研究准晶的物理性质和表面性质等提供了理论基础。准晶结构的数学表述，通常在高维空间中通过切割投影的方法实行。
3，准晶有稳定的也有亚稳态的。很多通过甩带的方法制备的准晶是亚稳态的，包括最早发现的Al-Mn准晶。后来An Pang Tsai等人发现了大量的稳定态准晶，这些准晶可以生长成毫米或者厘米尺寸的单晶，其中最有代表性的就是Al-Fe-Cu, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn，以及Cd-Yb和Ag-In-Yb准晶是一种特殊结构的晶体（注意它是一种晶体），原子的排列没有周期性，但是长程有序，因此在TEM和XRD中都表现出明锐的亮点或者峰。很多人认为准晶是介于晶体和非晶的一种物质，因此XRD的峰应该比较宽，这个想法是错的，高质量的准晶单晶的峰很窄，跟Silicon差不多。准晶单晶看起来也跟普通的晶体没有什么区别，断面跟silicon晶体的断面类似，非常的亮。看一下我发表在Journal of crystal Growth上面的Growth of large single-grain quasicrystals in the Ag–In–Yb system by Bridgman method 估计有些印象。
6.2 准晶
准
晶
一、晶体的对称性
在自然界的晶体中，晶体最显著特点就是对称，对称就是 几何形体中相同部分有规律地重复出现。不同的晶体也许 会出现不同的排列方式，但都是简单的平移重复而已。
晶体中原子的三维周期排列方式可以概括为14种空间点阵。德
国科学家在1850年总结出晶体的平移周期性，受这种平移对称
向进行观察时表现出异性，因此各向异性。
3 对称性，准晶体中相同部分（外形上的相同晶面，晶棱，
内部结构中的相同面、行列或原子离子）能够在不同方 向或位置上有规律的重复出现，各质点排列具有统计意 义上的周期性。
4 最小内能，准晶的质点在三维空间是准周期平移排列的有 序结构，是一种较为稳定或准稳定方式。质点间的距离
次对称电子衍射图的相。
Al-Mn合金
电子衍射图
衍射图表明： 1 这些合金相的衍射斑点在某个方向上 按一定规则排列，是高度有序。 2 衍射斑点的间距不等，说明原子排列 是非周期的。 3 不同于传统晶体的衍射特点。
得出结论：这种材料中原子排 列具有长程取向序，而没有平 移对称序
准晶：具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子呈定 向有序排列，但不作周期性平移重复。
又不具有严格的周期性，找不到作为平移周期的单位长度（ 平移对称性）。图中在局部是旋转对称的。
图中各节点构成二维点阵，阵点的分布不像晶体点阵那样具有平 移周期性，但也有一定的规律。 任一方向，两种四边形 的块数比例：
不同方向上各相邻阵点之 间的距离比值系列由： 组成
准晶态结构的特点：具有长程的取向序而没有长程的平移 对称序（周期性）；
准晶：电子衍射斑点分布有规律，可能存在基本结构单元。
晶体
非晶
准晶
准晶的结构模型认为：准晶由一定的结构单元以一定 方式连接而成。结构单元的连接要使整个结构具有准 周期性，又要填满整个空间。
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。
准晶体的发展及其应用
准晶体的发展及其应用准晶体是一种非晶体和晶体之间的结晶态结构，具有部分晶体和部分非晶体的特性。
准晶体的发展始于20世纪70年代，当时人们开始对金属合金的统计构造进行研究。
准晶体的发展受益于X射线衍射实验技术的进展，研究人员发现了很多金属合金的准晶体结构。
准晶体的应用范围非常广泛，涉及到材料科学、化学、物理学等多个领域。
准晶体的发展史可以追溯到1980年代初，当时法国科学家Daniel Shechtman发现了一种自旋切变准晶体。
这项发现被认为是科学界一个重大突破，随后被授予了诺贝尔化学奖。
自那以后，准晶体的研究得到了广泛的关注和深入的探索。
准晶体的结构特点主要包括五角星、六角星等复杂的几何图形。
正因为这种特殊的结构，准晶体具有一些独特的性质和应用价值。
例如，准晶体具有低的导热系数和低的电导率，这使得准晶体在热障涂层材料和隔热材料中有广泛的应用。
此外，准晶体具有良好的抗磨损和耐腐蚀性能，可以用于生产高硬度的刀具和耐腐蚀的材料。
除了上述应用外，准晶体还在光学领域中有着重要的应用。
由于准晶体的特殊结构，它们显示出一些特殊的光学效应，如布拉格散射和布拉奇光学效应。
这些光学效应为准晶体在光学通信、光学调制和激光技术等领域的应用提供了潜在的可能。
准晶体还可以用于电子封装材料和光电子封装材料中。
准晶体的非晶态结构使其在电子封装中具有优良的导热性能和机械性能，能够有效地降低温度应力和热膨胀系数不匹配引起的热疲劳问题。
此外，准晶体还可以用于合金材料的增强。
通过将准晶体引入到合金中，能够显著提高合金的强度和硬度，并且减少晶界的存在，提高合金的抗腐蚀性能。
准晶体的应用还在不断扩展，例如在能源存储领域中，准晶体材料可以作为电池材料和储氢材料。
此外，在生物医学领域中，准晶体也被用于制备生物传感器和人工骨骼等器械。
总的来说，准晶体作为一种新型的结晶态结构，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。
随着准晶体研究的不断深入和技术的不断进步，相信准晶体将会在材料科学和工程领域发挥更重要的作用。
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。
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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。
此外,准晶的热扩散系数和比热容都随温度的升高而增大。
1.1.4磁性能这里主要介绍实验研究较多的Al-Mn系二十面体准晶的磁性研究成果。
根据研究Al-Mn 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-外斯规律, 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Mn为20a t%的Al-Mn及Al-Mn-Si系准晶合金的平均有效磁矩为1. 4μB。
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, Al-Mn系准晶中并不是所有Mn原子都具有磁矩, 且具有磁矩的Mn原子其磁矩大小也各不相同,具有一定的分布。
与非晶体的磁性不一样, 具有磁性的准晶体大多数呈现弱常磁性或反磁性, 其磁化率x 不随温度变化, 电子结构γ在0和２mJ/mol·K２之间，Al65Cu20Tm15（Tm=Mn、Fe、Cr）准晶体的磁化率最大，在0~100k温度范围内其磁化率随温度升高而近似的呈反比降低。
1.2力学性能1.2.1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。
由表1 中数据可以看出, 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。
根据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 ) 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,退火可以适量改善准晶的抗拉强度,但对硬度和韧性的影响不大。
1.2.2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,准晶在某一较高温度以上也会发生明显的塑性形变,并且弹性模量和流变应力也都会随着温度的升高而降低。
如Al-Cu-Fe二十面体准晶在650℃以上、Al-Pd-Mn和Al-Ru-Cu二十面体准晶在700℃以上有明显的塑性形变。
1.2.3摩擦性能准晶材料的摩擦磨损行为研究相对开展较早,这主要得益于准晶薄膜制备技术的日臻成熟。
表给出了几种常用材料和Al65Cu20 Fe15准晶薄膜的维氏硬度和摩擦系数。
可见,准晶薄膜与块体准晶的硬度基本相同,都远远高于钢及铝合金,多数情况下准晶薄膜的摩擦系数要略大于块体准晶,但都小于其它金属。
因此,准晶薄膜具有较好的耐磨性能。
1.2．4 表面抗氧化及不粘特性氧对Al系准晶中的Al具有择优氧化性, 因此氧化时Al被优先氧化。
氧化的作用使Al在准晶表面富集,进而形成一层致密的A l2O3氧化膜(表面氧化层) 。
氧化膜的厚度与氧化环境有关,它在真空、大气和水中的厚度分别为0.4 ～0.8nm、1.9～2.6nm 和5.8～8.6nm。
由于氧化膜具有钝化作用,所以准晶的抗氧化性能一般都比较好。
准晶在费米能级处的电子密度较低, 再加上准晶薄膜表层具有一定的粗糙度,故准晶薄膜具有较低的表面能,其大小接近传统不粘材料聚四氟乙烯,因此具有优良的表面不粘性。
1.2.5储氢特性金属材料的储氢特性主要取决于金属于氢之间的化学反应以及金属中可容纳氢原子的间隙位置和数量。
在大多数过渡金属中, 氢趋向于四面体位置,因而具有四面体结构的Laves相是很好的储氢材料。
而二十面体准晶就拥有大量的四面体配位结构,因此从理论上讲这类准晶具备了储氢能力。
Kelton等通过对Ti系二十面体准晶的储氢能力实验证实了这一设想,此后在其它系的准晶合金(如Zr-Cu-Ni-Al等)中也都得到了证实。
1.2.6弥散强化特性准晶高硬度的特性使其理所当然地能成为一种弥散强化相来增强基体金属。
形成准晶弥散强化的方法主要有两种,即热处理和粉末冶金。
热处理就是通过固态反应析出准晶相并弥散分布于基体中, 从而起到强化合金的作用。
粉末冶金法就是利用粉末冶金技术将准晶颗粒与金属粉混合后在高温下挤压成由准晶颗粒与金属基复合的材料。
2准晶材料的应用准晶材料具有的一系列性能特点, 使其从高技术领域如应用于航空航天器机翼和机身的表面涂层、航空发动机叶片上的热障膜以代替传统的氧化锆和锆钇氧化物,到一般工业领域如用于轻合金表面涂层等, 都具有广阔的应用前景。
然而由于准晶的脆性问题,严重阻碍了它在结构材料中的应用。
因此, 目前准晶材料的应用仍主要在准晶薄膜(准晶涂层)和准晶复合材料两方面。
2.1不粘锅涂层不粘锅涂层通常是利用喷涂技术将Al-Cu-Fe准晶颗粒沉积到基体上,并形成一个均匀薄膜。
由于同时加入了Cr等合金元素,因此该薄膜除具有较低的表面能,即具有优良的不粘性能外,还具有优良的耐蚀性、耐高温性(可承受750℃高温) 、高的硬度(是不锈钢硬度的2倍以上)和高的耐磨性。
2. 2 热障涂层与航空发动机常用的隔热材料锆钇氧化物及其它隔热材料相比, 准晶涂层具有密度低、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化、使用温度高及易于制造等优点,因而能满足多种场合下的隔热要求。
其形成方法也是利用喷涂技术在基体表面形成一层准晶薄膜。
目前准晶热障涂层已在飞机和汽车发动机等部件中得到应用。
2.3太阳能选择吸收薄膜准晶本身并不具备光的选择吸收特性, 但准晶薄膜与高反射材料组成的多层结构材料, 如“铜/绝缘体/准晶/绝缘体”对太阳光却具有选择吸收的特性。
由此构成的绝缘体/准晶/绝缘体多层膜具有很高的热吸收率和很低的热发射率,与现有的工业化材料相比,虽然它们的热吸收率略有降低,但热发射率却要低得多。
2.4准晶复合材料准晶弥散强化的特性, 正在逐渐走向实用。
本文前面提及的A l2Cu2Fe准晶颗粒/A l基复合材料已被用作轻质中温高强、高韧结构材料;由准晶弥散强化的低碳马氏体时效超高强度钢(硬度730HV,抗拉强度接近3 000M Pa) ,则可望应用于医疗器械材料。
Inoue等获得的由纳米尺度的Al-Mn-La、Al-Cr-La准晶颗粒增强的Al基合金, 因具有优良的弯曲性能和高达1 200～1400MPa的弯曲强度,而有望应用于航空工业。
2.5磁性材料二十面体准晶的独特结构,很容易把它与软磁材料联系在一起。
软磁材料的特点是高的磁导率,低的矫顽力和低的铁芯损耗。
而二十面体准晶的特点是具有极高的电阻率和较高的对称性(比任何晶态磁性材料都高) ,易磁化轴数比晶态多,各向异性的位垒低,畴壁运动或磁矩转动都比较容易,因而可以有效地降低矫顽力和铁芯损耗。
所以,虽然二十面体准晶因具有磁各向异性而降低了磁导率,但仍有可能成为具有优异软磁性能的磁性材料。
对于二维准晶,若易磁化轴是其周期排列的主轴,则有可能获得单轴各向异性的新的永磁材。
由此可见,准晶对磁性的一个重要影响就是磁各向异性。
虽然至今尚未获得真正的准晶磁性材料, 但由近期开发的居里温度在300～500K的二十面体Al70 - X Pd15Mn15BX铁磁性准晶材料等成果可以相信,随着对准晶材料研究的不断深入,一定能开发出具有实际应用价值的准晶磁性材料。
3准晶体的发展趋势（1) 全面研究准晶体的力学性能, 为开发实用工程准晶材料铺路。
（2) 研究准晶体对常用工程材料表面改性的贡献；（3) 继续研究准晶体的热稳定性，开发高温准晶材料；（4) 继续研究准晶体的电磁性能，开发准晶功能材料；（5) 研究准晶体性能的普遍规律；（6) 研究准晶体性能的内在机制，为准晶体性能研究提供理论依据。
总之，准晶体的性能研究具有广阔的前景，只要掌握了准晶体的性能特征及影响因素，就会出现许多具有特殊性能的准晶新材料为人类服务。
参考文献[ 1 ]肖华星.引人注目的新材料—准晶材料 IV：准晶的性能及应用[A].常州工学院报，2005（01）： 0010–05.[2]伍陶陶,刘育,樊振军.准晶材料的研究及应用.中国地质大学（北京）材料科学与工程学院物理实验中心.2010年.[3] Shechman,D. et al., Phys. Rev. Lett,1984,53，1951.。