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。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