准晶简介

准晶的分类
第二类MTi 类合金(M-VIII组元素) 第一类Al-过渡族金属 第三类Frank-Kasper拓扑相系
二十面体相:二元系 Al-Mn Al-Pd 二十面体相: 二元系 NiTi2 FeTi2 Al-Cr 二十面体相:Mg4CuAl6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr 八边形相:三元系 Cr-Ni-Si 三元系 Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5 十二边形相:二元系 NiCr V3Ni2 四元系 Al-Mn-Sn-Fe 十边形相: 二元系 Al-Mn 10Si Al-Ni 三元系 V15NiAl-Pd 三元系 Al-Mn-Fe Al-Mn-Zn������ 一维准晶: 三元系 Al80Ni14Si6 Al65Cu20Co15
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。
准晶材料的应用
(1)准晶材料在表面改性材料中的应用
(c)太阳能工业薄膜材料 德国科研人员以Cu为基底, 加 (b)隔热材料 西班牙INTA(国家航空技术研究所)的科研 (a)炊具表面材料 该应用主要采用Al-Cu-Fe准晶材料,
将厚度约10nm的Al-Cu-Fe13Cr8Fe8在1000℃都保持稳定, 人员发现,准晶合金Al71Co 准晶薄膜置于两层绝缘薄膜之 Cr 元素以提高耐蚀性, 采用热喷涂或等离子喷涂将准晶粉末 间, 构成多层结构, 其具有太阳能工业要求的选择吸收性质。 采用低压等离子溅射技术(LPPS) 将其涂覆于航空Ni 基合 沉积在基体表面。不粘性与准晶材料的低表面能和准晶材 该多层结构不仅可以满足光学性能的要求, 在395℃ 其选 热 金的表面, 涂层的孔隙度低于1% , 热导率与常规的Zr2O3 料中一定的孔隙相关, 准晶中的孔隙使油浸入形成油膜以提 择吸收波长范围为400-1700nm , 可以与市场上已应用的 障涂层在一个数量级。与传统隔热材料相比, 准晶材料具 高不粘性。与聚四氟乙烯材料相比, 准晶材料的耐磨损、高 Ti-N-O薄膜相比；同时还具有抗高温氧化、抗腐蚀(SO2) 、 有密度小、耐蚀和耐氧化的优点, 在航空和汽车工业的发 硬度等有助于提高使用寿命, 完全符合厨房炊具的标准。准 与基底结合性好等优点。 动机等部件中, 有潜在应用价值。 晶的导热性较差，但由于层厚较薄, 不会影响到不粘锅的使 用。
准晶的制备方法
(1)快速凝固法 目前用得Biblioteka Baidu多的制备准晶的方法，包括
Melt-Spining法, 电子束表面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行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行辐照可以获得准晶。Al-Mn准晶 (4)固态反应法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在一定温 度下加热进行互扩散, 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, 使之 蒸发、沉积；采用一种特殊的分隔装置, 使两组元的沉积交 替进行而不互相干扰。Al-Fe、Al-Cr准晶
高温塑性
室温脆性被认为是准晶材料的致命弱点之一。然而， Shibuya 等在研究多晶Al-Cu-Ru准晶相在1000K 时的压应变 准晶的脆性在高温下却完全消失, 且显示出类似于超塑性材 行为时发现, 虽然准晶相的强度随着温度的升高而逐渐降低, 无论从理论上还是在实验中, 在二十面体准晶结构中都 料的极高塑性, 最高变形量可130%以上, 而且没有加工硬 但塑变量和应变率却很大。 证实有位错的存在, 在Al-Cu-Fe，Al-Li-Cu二十面体准晶相 化现象。一般认为准晶材料的超塑性与其独特的原子结构准 Takeuchi 等分析Al-Pd-Mn准晶相的高温塑变行为后认为, 中位错的柏氏矢量均可确定。另外, 对十次准晶中的位错也 有关。 晶相的高应变主要由有效应变和与温度相关的内应变组成。 已进行了深入研究, 这类准晶的位错的柏氏矢量平行于周期 Yokoyama等研究单晶Al-Pd-Mn准晶相在 1000K的塑变行为 方向, 而且这些位错的本质与晶体中的位错基本一致。 时也发现了准晶具有很大的塑变量和应变率, 而且认为该塑 变是沿着准晶的五次轴方向进行的。
弥散强化特性
准晶强化基体材料的方式主要有以下两种
(1)利用固态反应使准晶相以高温强化相析出并弥散分布于 (2)利用粉末冶金技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混合后 基体中，从而达到强化效果。 在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 Nilsson J.O.等将低碳时效马氏体钢 如Tsai等将30vol% 的I-AlCuFe 颗粒(<40um) 与Al 粉 Cr12.0Ni9.0Mo4.0Ti0.9Al0.3Si0.15Cu2.0Fe(C%<0.05)500℃长时 (<0.2mm)均混后在600 ℃下挤压成准晶/铝基复合材料, 其 间退火336h后使准晶相在钢基体中弥散析出, 时效后的钢 室温强度和韧性均为7075-T6铝合金的1.5倍，其室温塑性 材在性能上表现为硬度持续升高、最终可高达730Hv，抗 则为后者的3倍。尤其是该材料在300℃中温下的强度可达 拉强度接近3000MPa， 这种超高强度钢可望用作医疗器 210MPa,比7075-T6铝合金高出10 倍。 械材料。
准晶的介绍
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。
(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。
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)电子结构 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定性；第三组元Si 的加入改善了形成准晶的能力，这些现象表明组元的电子结 构与准晶的形成能力有内在的联系。
储氢特性
材料的储氢特性主要取决于金属与氢之问的化学反应 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。而二十面体准晶恰好拥有 大量的四面体配位结构, 从理论上讲，这类准晶具备储氢 能力。Kelton等通过实验证实了Ti系的二十面体准晶相(ITi45Ni17Zr38)确实具有很强的储氢能力，每个金属原子可 达到吸收两个氢原子的水平。
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体、液体及非晶而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。
(6)稳定性 对于相同化学组成，处于不同物态下的物体，
晶体、准晶体都不能自发的转变为其他物态。
准晶体的性能——传输特性
(1)导电特性 (2)热传导特性
(a)热力学稳定的准晶材料的电阻率异常高。 (3)光传导特性 (a)与普通金属材料相比, 准晶的导热率都很低, 在室温下准 Al-Cu-Li在液氦温度的电阻率为900微欧厘米，Al-Pd-Re为 (a) 在较低的频率范围内, 准晶的光导率很小, 且在104cm-1时 晶的导热率要比普通的铝合金低两个数量级，可以与常见的 4000-28000微欧厘米 有很宽的峰值。 隔热材料ZrO2相媲美。 (b)准晶材料电阻率随温度升高而下降，具有负温度系数。 (b)在二维的准晶材料中, 光导率对其结构的各向异性很敏感。 (b)准晶材料的热阻值随着温度升高而下降, 即具有负的温度 (c)电阻率对准晶合金成分和结构完整程度十分敏感，样品 系数。热扩散系数和比热容均随着温度升高而增大。 的质量越好，电阻率就越大。 (c)准晶样品质量越好, 结构越完善, 其导热性能就越差。 (d)对于二维的十次准晶, 其周期方向的电阻率比准周期方 向的电阻率要小75%-95%, 显示出很强的各向异性。
(3)原子尺寸 (4)工艺条件 用快速凝固法制备准晶时, 冷却速度太高, 过
饱和固溶体先于准晶相形成, 有时还容易形成非晶；冷却速度 太低则形成平衡相, 不能获得准晶。
准晶的基本性质
(1)均一性 准晶具有有序结构，其分割出来的不同部分放
大或缩小都与整体结构有相同的结构特征。
(2)各向异性 (3)对称性 准晶体的对称性较晶体高。 (4)自限性 自发地形成封闭的几何多面体外形。 (5)最小内能性 在相同的热力条件下，较之相同成分的气