准晶及准晶材料概览
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。
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。
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❖ 3、准晶的应用
自准晶被发现以来,国内外材料工作者对这一新 型固相的形成过程、原子结构、热稳定性、物理和 力学性能等方面进行了大量研究,并取得了显著的成 果。由于其结构的特殊性,准晶具有高硬度、低摩擦 系数和强烈的脆性。基于此,目前对准晶材料的应用 研究主要集中在两个方面,即作为涂层材料和作为软 基体复合材料的增强体。前者是利用准晶的不粘性、 耐热和耐蚀性等性能,后者则主要利用准晶的高硬度、 耐磨性等性能。将准晶相引入金属基体中制备颗粒 增强金属基复合材料,对开发准晶材料在结构材料方 面的应用和新的金属基复合材料的颗粒增强体具有 重要意义。
➢ 第二是采用粉末冶金的技术将准晶颗粒(微米级)与金属粉混 合后在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 同时也有很多人希望通过机械搅拌法向熔体中加入准晶颗粒 来制备准晶增强金属基复合材料,但尚未见很有成效。
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二、Mg-Zn-Y合金系中的准晶相
❖ 1993年，罗治平等发现Mg-Zn-Y合金中Mg3Zn6Y三元相为 二十面体准晶相(I相)，使得Mg-Zn-Y系准晶成为近年来准晶 研究的热点，各国的科技工作者们对Mg-Zn-Y三元系中准晶 相的形成机制、结构和性能等展开了大量的研究工作。 Mg-Zn-Y系准晶主要为三维20面体稳定准晶，此外，还发 现了二维十面体稳定准晶 稳定Mg-Zn-Y二十面体准晶的化 学成分在Mg30Zn60Yl0附近，其准点阵常数约0.52nm 。 Mg-Zn-Y系准晶以其独特的结构而具有特殊的性能，因而可 作为镁基复合材料中重要的增强相。
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4、Mg70Zn28Y2合金差热分析
❖ 图为Mg70Zn28Y2准晶合金 的差热分析然线，从图中可 以看出Mg70Zn28Y2三元合 金凝固过程中在647。C析出 a-Mg枝晶，在563。C左右存 在另一相变点，准晶相析出 温度大概在416。C，随后低 温相MgTZn3相大概在346。C 形成。最终的凝固组织为aMg枝晶、M93Zn7相和准晶 相。
2-7非晶和准晶、纳米晶态固体结构
同色顶点相接
格点旳 排列无 周期性， 但到处 具有5次 对称性
准晶构造类型
a.一维准晶 在一种取向是准周期性而其他两个取向
是周期性，存在于二十面体或十面体与结晶 相之间发生相互转变旳中间状态。
b.二维准晶 由准周期有序旳原子层周期地堆垛而构成，
是将准晶态和晶态旳构造特征结合在一起。 存在8、10 和 12 次对称
1.准晶态旳构造
准晶是准周期晶体旳简称，它是一种无平 移周期性但有位置序旳晶体。
有无方法能够铺砌成具有五重对称性旳 无空隙地面？
面积之比为 1.618：1
具有5次 对称轴
1974年penrose提出利用两种夹角分别为72、 72、144、72 和 36、72、36、216度旳四边 形能够将平面铺满.相当于将一种菱形切开成上 述两个四边形。这种图形具有5次对称性。
旳固体材料。
(1)各向同性；
（2）介稳性 有析晶（晶化）旳倾向； （3）熔融态向玻璃态转化旳过程是可逆旳与 渐变旳；
（4）无固定旳熔点；
(5)熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质 随温度变化旳连续性。
2、玻璃旳形成条件
A：玻璃形成旳动力学条件
硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体或一定成 份旳合金只有冷凝速度不小于一定旳临界速度 才干转变为玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联络较弱旳电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇构成晶格 旳几率最大，最不易形成玻璃。
纯粹共价键化合物多为分子构造。在分子内 部，由共价键连接，分子间是无方向性旳范德华 力。一般在冷却过程中质点易进入点阵而构成份 子晶格。
所以以上三种键型都不易形成玻璃。
c.二十面体准晶
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。
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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
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• 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：
准晶材料制备技术
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。
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。
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准晶什么是准晶？准晶（Quasicrystal）是一种特殊的晶体结构，不同于常见的周期性晶体。
它以自我复制的方式组成，具有类似于晶体的长程有序性，同时又有类似于非晶体的无规则性。
准晶的发现引起了科学界的广泛关注和研究，对固体物理学和材料科学有着重要的意义。
准晶最早由以色列科学家丹·舍帕斯于1982年发现。
他发现了一种由铝、锰和金属硅组成的合金，其X射线衍射图谱显示出非常奇特的衍射斑点图案。
这种图案既不是晶体的经典单一斑点，也不是非晶体的连续衍射环，而是由固定的五角星图案组成。
这一发现颠覆了当时对晶体结构的认识，开启了准晶研究的新篇章。
准晶的结构特点准晶的结构特点可以用“离子包络模型”来描述。
这个模型假设准晶中的原子排列类似于离子包络，由环绕原子球组成。
准晶的结构可以通过一组向量来描述，这组向量被称为“母基矢”。
准晶的母基矢不是简单的周期性晶体的矢量，而是具有非周期性和非整数的关系。
这种非晶体的特性使准晶的结构具有五角星、八角星等非传统形状的对称性。
准晶的结构还具有“五重旋转对称性”，即它的结构在沿着某个固定轴旋转180度时仍保持不变。
准晶的应用准晶的独特结构特点使其具有一些特殊的物理性质和应用价值。
首先，准晶具有低摩擦系数和低热导率的特点，使其在润滑材料和热障涂层等领域有着广泛的应用。
其次，准晶还具有高硬度和高强度的特点，与金属和陶瓷相比具有更好的机械性能。
因此，准晶在材料加工、汽车制造和航空航天等领域的应用也越来越广泛。
此外，准晶还具有优异的电学和光学性能，使其在电子器件和光学器件等领域具有潜在的应用前景。
准晶在导电性能、光学透明度和磁学性能方面都具有特殊的优势，因此对其的研究和应用也成为当前热门的科研领域之一。
准晶的未来对准晶的研究还处于相对初级的阶段，很多问题仍然待解决。
当前的研究重点主要集中在准晶的合成方法、结构与性质之间的关系以及准晶的制备工艺等方面。
随着科学技术的不断进步，相信对准晶的认识会进一步深化，其潜在的应用领域也将继续扩展。
准晶及准晶材料概览
准晶及准晶材料概览准晶及准晶材料是一类具有独特结构和性质的材料。
它们的结构介于晶体和非晶体之间，具有有序周期结构，但缺少长程周期性。
准晶材料是独特的，因为它们在原子层中存在着一种五倍旋转对称性，这与传统的晶体对称性不同。
本文将对准晶及准晶材料进行概览。
准晶材料是由国际准晶学会(IUCr)于1982年首次定义的。
根据IUCr的定义，准晶材料是一种具有不具备平移对称性的有序周期结构的材料。
准晶材料的结构单位称为“集晶”(cluster)，它是准晶材料中具有原子或分子固定结构的最小重复单元。
准晶材料的特点是它们的结构中存在二次、五次、十次乃至更高的旋转对称性，这与传统的晶体仅具有两次三次等对称性是不同的。
准晶材料的发现是在20世纪60年代末70年代初。
当时，日本化学家铃木敬三首次在金铝合金中观察到了准晶结构。
此后，准晶材料的研究逐渐扩展到其他合金体系和无机材料中。
准晶材料的研究进展证明，它们具有许多独特的物理、化学和机械性质，使得它们在各个领域都引起了广泛的兴趣。
准晶材料的丰富性质是由于它们的特殊结构所决定的。
准晶材料的结构单位可以是单原子、分子或者离子，它们以一种特定的方式排列形成不同的集晶。
每个集晶都具有一定的对称性，如五重旋转对称性，这使得整个准晶材料具有高度的非周期性和对称性。
准晶材料的原子或分子之间的相对位置和角度是固定的，这使得准晶材料具有较好的稳定性和机械性能。
与传统的晶体材料相比，准晶材料具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性。
准晶材料在材料科学和工程中具有广泛的应用。
例如，准晶材料可以用于制备高强度和高耐磨性的涂层材料，还可以用于制备高性能的电子器件和光学元件。
准晶材料还可以用于制备高效的催化剂和吸附剂，被广泛应用于化学工业和环境保护领域。
此外，准晶材料还可以用于制备新型的复合材料和纳米材料，具有潜在的应用前景。
总之，准晶及准晶材料是一类具有独特结构和性质的材料。
准晶材料具有有序周期结构，但缺少长程周期性，其结构单位为集晶，具有二次、五次、十次乃至更高的旋转对称性。
准晶体 简介
分形学图形
准晶体性质
电性能：
与金属的导电性质相比，准晶体一般电阻较大。 当温度不太高时，准晶的电阻随温度的增加而减少。 准晶的导电性能随样品质量的改善反而降低。
热性能：
导热系数K很小，且与温度密切有关。 实验观察到准晶的热性能有明显的各向异性。
磁性能：
霍尔系数为负，但绝对值比金属大两个数量级， 并随温度的增加可能改变方向。
准晶材料的应用
由于准晶材料有较高的硬度、低摩擦系数、低表面能、 低传热性、不粘性、耐蚀耐热和耐磨等特点。准晶材料的 主要作为表面改性材料，以及作为增强相弥散分布于结构 材料中。 在实际生活中，因为准晶材料具有耐蚀耐磨等特点， 可用于不粘锅表面更抗腐。 航空航天工业中，科学家们正研究用准晶体材料来替 代这些传统材料隔热。 太阳热能工业中，准晶体因具有特殊的光学性能（高 的红外传导率）和足够的热稳定性（抗氧化及扩散稳定性） 还被用作太阳能工业薄膜材料。 准晶体材料还可以作为结构材料增强相的应用、储氢 材料、半导体材料以及热致发电材料等。
谢谢！
1987年法日科学家成功地在实验室中制造出了大到足以被x射线观察到的准晶体结构证实了2009年科学家在俄罗斯的矿物中发现了准晶体瑞典一家公司在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中
准晶体
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相，这种长程有序但无平移 对称性的结构被称为准晶体。 1985年初，郭可信等人在Ti-V-Ni合金中发现了 二十面体准晶体。 当时人们普遍认为 ，自然界中不可能存在具有 谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。 1987年，法、日科学家成功地在实验室中制造 出了大到足以被X射线观察到的准晶体结构，证实了 谢赫特曼的发现。 2009年，科学家在俄罗斯的矿物中发现了准晶体， 瑞典一家公司在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体， 这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
准晶晶体材料探讨(doc 18页)
准晶晶体材料研究尹显富内容提要：准晶体结构自1984年被报道以来，因其与传统晶体周期性不相容的特殊结构，引起各国学者的极大兴趣。
对准晶材料性能及应用研究结果表明，准晶材料因独特的结构而具有独特的性能，但由于材料科学迅猛发展，新材料层出不穷，而准晶材料所具有的一些优异的性能，能满足一些实际应用中传统材料所不能满足的要求。
因此，了解其发展历程、掌握其理论基础、研究现状及其发展前景，对于研究开发能应用于实际生活、生产的准晶材料有着重要意义，这是本题的主要内容。
关键词：准晶材料物理性质性能准晶结构The physical properties of quasicrystalline materials and research progressYinXianfuAbstract:Quasi-crystal structure has been reported since 1984, because of its incompatibility with traditional periodic special crystal structure, causing great interest scholars from different countries. Alignment of crystal material properties and applied research results show that because of the unique quasi-crystalline structure of materials with unique properties, but because of the rapid development of materials science, new materials emerging, while the quasi-crystalline material with some of the excellent performance, to meet some practical applications of traditional materials can not meet the requirements. Therefore, understanding the development process, to grasp its theoretical basis, research status and development prospects for the research and development can be applied in real life, the production of quasi-crystalline materials is of great significance, which is the main content for this question.Keywords: Quasicrystal Physical properties Performance Quasicrystals目录绪论准晶材料作为一种新兴材料，自从1982年准晶（Quasicrystal）的发现至今，有关什么是晶体的辩论一直没有中断。
准晶、纳米晶、非晶和液晶结构
（2）无规则网络学说
学说要点： a:形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的 三维空间网络。
b:这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维 空间无规律的发展而构筑起来的。
c:电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大 的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变 价离子则有一定的配位数。
离子键化合物在熔融状态以单独离子存在， 流动性很大，凝固时靠静电引力迅速组成晶格。 离子键作用范围大，又无方向性，且离子键化合 物具有较高的配位数（6、8），离子相遇组成晶 格的几率较高，很难形成玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联系较弱的电子， 以正离子状态存在。金属键无方向性并在金属晶 格内出现最高配位数（12），原子相遇组成晶格 的几率最大，最不易形成玻璃。
折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等
Tg ：玻璃形成温度，又称脆性温度。它是玻 璃出现脆性的最高温度，由于在这个温度下可 以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力， 所以也称退火温度上限。
Tf ：软化温度。它是玻璃开始出现液体状态 典型性质的温度。相当于粘度109dPa·S，也是 玻璃可拉成丝的最低温度。
二是双辊法，此法也生产带状制品。与单辊法不同的 是，液体状金属喷射到两辊间隙处，进行双面冷却和 压延。
三是水中拉丝法。金属玻璃丝有独特的用途，但难以 用上述的辊面冷却方法制作，故常用水中拉丝法制作， 即把液体金属连续注入冷却水中，直接获得金属玻璃 丝。
此外，晶体材料在高能辐照或机械驱动作用下 也会发生非晶转变。
准晶体目前的应用包括耐磨涂层、不黏涂层、 热阻涂层(引擎绝热)、高效热电转换、聚合物 母体合成、选择性太阳能吸收和储氢等，主要 有铝系合金准晶体、Ti(zr)基准晶二大体系。
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。
准晶态材料
2.4.3 准晶态材料• 准晶体(quasicrystal) • ---准周期晶体(quasiperiodic crystal)的简称 准晶体是1984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。
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。
例如五次对称轴等。
5重旋转轴准晶体的发现，破除了几百年来关于晶体必须 具有周期性 因而不可能存在五重旋转对称的信条 具有周期性，因而不可能存在五重旋转对称的信条， 对于晶体学工作者解放思想，重新审视自己的观察 结果，推动晶体学向更深入、更精确的方向发展， 起了重要作用。
起了重要作用晶体学研究有300多年历史 经典晶体学 1912年X射线晶体衍射 现代晶体学 1984年准晶的发现，新对称理论（2）冰的结构 常见结构型式： 冰-I Ih （冰、雪、霜） （冰 雪 霜） 常压，0°C，六方晶系， 空间群4 D6 h −P63 mc m∠OOO非常接近109.5° O H…O 和 O…H—O O O— 两种方式的无序情况冰-Ic 真空，133-153KO位于金刚石 中C的位置 H无序分布新华社伦敦３月９日（2009年）电 英国《自然·材料》发现冰在纳米尺度上的平面结构为五边 形，而非通常的六边形。
来自英国伦敦纳米研究中心和德国弗里茨·哈贝尔研究所 等机构的研究人员说，他们在光滑的铜表面对冰用扫描隧道显 微镜进行观测 并进行了大量计算 最终确定冰在纳米尺度上 微镜进行观测，并进行了大量计算，最终确定冰在纳米尺度上 有五边形的平面结构。
论文第一作者哈维尔 论文第 作者哈维尔·卡拉斯科说，了解冰的纳米结构尤 其冰黏附在固体表面时的纳米结构具有重要意义，因为这可以 帮助研究人员了解冰晶如何形成，而之所以要了解冰晶的结构， 是因为它在人工造云、降雨中发挥重要作用。
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1.准晶体研究进展 准晶体研究进展
• 目前，国际国内对准晶体的结构及其稳定 性研究较透彻，而对它的物理性质（尤其 是热力学性质）方面的理论研究很少。从 目前来看，除了一维准晶情况外，准晶体 的物性研究无论是实验还是理论方面都还 处于开始阶段。 • 目前研究的瓶颈在于实验上，毫米级的大 块准晶单晶不易制备，从而限制了物理性 质的实验研究。实验数据的缺乏也反过来 制约了理论研究的进展。
1、几何晶体学的发展简史 、
• 1669年斯登诺、1783年爱斯尔发现晶面夹角 守恒定律.。 • 1805-1809年魏尔斯发现晶体对称定律(只存 在1,2,3,4,6次轴)。 • 1830年赫塞尔、加多林推导出晶体外形对称 元素宏观对称类型共有32种（即32种点群）。 • 1848年布拉维指出确定了空间点阵的14种形 式（即14种布拉维点阵）。 • 1889年松克提出晶体全部可能的微观对称类 型共有230种（即230个空间群）。
• 准晶体有别于晶体的最大特点是，具有 准周期性结构，即不具有传统的平移周 期性，但又有别于非晶体的无序排布。 因此，准晶体可以拥有五次及六次以上 的旋转轴。 • 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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2、X射线晶体学的发展简史 、 射线晶体学的发展简史
• 1909劳厄发现晶胞对X射线散射中的散射波叠加 平均效应 • 1912年劳厄、厄瓦尔得到第一张Ｘ射线衍射图 ，发现晶体Ｘ射线衍射效应，建立了Ｘ射线光谱 学。 • 1913莫斯莱建立莫斯莱定律。 • 1956-1960年，电子显微镜下观察了大量的晶体 结构晶格相， 高分辨率透射电子显微镜分辨率 <0.1nm 晶胞尺寸。 • 1984年，谢赫特曼发现第一个准晶体，准晶体 学分支学科形成。
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Pentaplexity分形结构 分形结构
• Pentaplexity具有分形结构，可以证明不具有 平移周期。 • 类似的还存在“一维Pentaplexity”，其节点 距离满足以下Fibonacci数列，同样具有自相 似性。
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二维Pentaplexity化学与分子工程学院关键词： 关键词：准晶体
准晶材料
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内容概览
一、晶体学的发展历史与准晶体的出现 准晶体的定义、 二、准晶体的定义、实例展示 准晶体的结构、 三、准晶体的结构、性能介绍 四、准晶体研究进展与准晶材料应用 五、参考文献与致谢
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一、晶体学的发展历史 与准晶体的出现
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1985年T.Ishimasa 得到 年 得到NiCr 准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 不久中国科学家陈焕等得到 V-Ni-Si准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 准晶 1987年王宁 得到 年王宁 得到Cr-Ni-Si 准晶（ 次轴 次轴） 准晶（8次轴）
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3、准晶体的历史渊源和现状概括 、
500年前，伊朗 的伊斯法罕有一 座古老的清真寺， 上面的砖片图案 就是按照准晶样 式排列的，这是 准晶最早的溯源。
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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 1976年，Roger Penrose构造了一 Penrose 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。即 Penrose拼图（后 文详细介绍）
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2.在2008年9月 Joan M. Taylor发现一种 在 年 月 发现一种 带花纹的六边形 可以非周期性的铺满整个平面
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Joan M. Taylor给出了一种三维准周期结构，对 给出了一种三维准周期结构， 给出了一种三维准周期结构 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。
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两个现在比较热 门的研究焦点
1.分子准晶 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。
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2.准晶体实例 准晶体实例
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Ag-Al准晶
Al-Rh准晶
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Al-Cu-Co十次对称棱柱状准晶
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Ti-Ni准晶
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三、准晶体的结构、 准晶体的结构、 性能介绍
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1.准晶体的结构介绍 准晶体的结构介绍
是否具有“三维 是否具有“三维Penrose”拼图 ”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。
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1978-1982 Mackay提出了三 提出了三Penrose拼图 拼图5 提出了三 拼图 次轴存在的可能性
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1987年，法国和日本科学家制出足够 大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜 直接观察到这种晶体。至此，谢赫特曼的 理论才得到科学界的认可。
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诺贝尔奖评选委员会 在高度评价了谢赫特 曼研究的同时，也对 全世界科学家们发出 了警告：“即使最伟 大的科学家也会陷于 传统藩篱的桎梏中， 保持开放的头脑、敢 于质疑现有认知是科 学家最重要的品质。”
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2.准晶材料的应用现状 准晶材料的应用现状
1.作为表面改性材料 作为表面改性材料 2.炊具表面材料 炊具表面材料 3.隔热材料 隔热材料 4.作为结构材料增强相 作为结构材料增强相 5.储氢材料 储氢材料 6.太阳能工业薄膜材料 太阳能工业薄膜材料
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五、参考文献与致谢
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Danielle.Shechtman
(1941-)理论物理学家 • 1982年，他率先在实验室 环境下发现准晶体“现象. • 1984 1984年，另一个研究小组 独立发现类似现象，两个小 组的研究结果得以同时发表。 准晶体的相关研究成果已被 应用到材料学、生物学等多 种领域。 • 2011年获得诺贝尔化学奖
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• 在准晶的研究方面 ，我国 的水平几乎与国外同步 。 1984年中科院沈阳金属所 郭可信院士领导的研究组 在 急冷合金中发现了二十 面体准晶，这是首例非Al 基准晶相 。随后 ，又发现 了一系列新准晶种类，如 二十面体准晶、硅化物准 晶等。
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一些比较重要的准晶组成、结构。 一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表
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二、准晶体的定义、 准晶体的定义、 基本特征与实例
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1.准晶体的定义与基本特征 准晶体的定义与基本特征
• 物理学定义：准周期晶体，简称称准晶 物理学定义：
体，是介于晶体与非晶体(玻璃体)之间的 中间形式；准晶具有完全有序的结构，不 具有晶体所应有的平移对称性，具有晶体 所不允许的宏观对称性。 • 基本特征：理想的准晶体是由两种以上 基本特征： 有“原胞”在空间无限地重复构成的，这 些“原胞”的排列具有长程的准周期平移 序和长程指向序。
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然而直到1984年D.Shechtman才通过骤冷 年 才通过骤冷Al-Mn 然而直到 才通过骤冷 合金得到了第一个人工准晶体
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m35对称元素投影图 对称元素投影图
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1985 L.Bendersky Al-Mn 10次轴 次轴 次年中国科学家冯国 光发现Al-Fe 10次轴 光发现 次轴
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1984年，丹尼尔·谢赫特曼发现了三维世界中的 20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的 菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生 于融化后快速冷却的Al-Mn合金中。 2009年，矿物学上的一个发现 为准晶是否能在自然条件下形 成提供了证据：俄罗斯的一块 铝锌铜矿上发现了 Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。
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谢赫特曼的准晶之缘
1982年4月，谢赫特 曼在研究一种铝锰合金时， 发现其中的“晶体”物质 存在10次对称轴。它的电 子衍射照片在旋转36° （十分之一周）后，才能 使旋转前后的照片上的衍 射斑点完全重合在一起。
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• 当时，国际上大多数科学家都反对准晶体理 论，但是谢赫特曼还是坚持准晶体的研究。 其中，反对最激烈、声望最高的是两度获得 诺贝尔奖的莱纳斯·鲍林（1945&1962）. • 鲍林曾经在一场新闻发布会上说：“谢赫特 曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科 学家。”鲍林还发表了不少晶体结构方面的 文章，想方设法要把谢赫特曼的准晶体归纳 到传统的晶体学教科书里。由于鲍林在国际 化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家” 的称谓不胫而走。
化学与分子工程学院 • 参考文献 Penrose R.Pentaplexity:A Class of non-periodic tilings of the plane.Math.Intelligencer,1979,2:32~37 Crystallography and the Penrose Pattern.Physica,1982,A114:609~613 Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1984,53:1951~1953 Bendersky L,Schaefer R J,Biancaniello F S,et al.Icosahedral Al-Mn and related structures:resemblances in structure.Scr.Metall.,1985,19:909~914 Fung K K,Yang C Y,Zhan Y Q,et al.Icosahedrelly related decagonal quasicrystal in rapidly cooled Al-14-at%-Fe alloy.Phys.Rev.Lett.,1986,56:2060~2063 Ishihara K N,Yamamoto A.Penrose Patterns and related structures,I.Superstructure and generalized Penrose Patterns.Acta Crystal ogr.,1988,A44:508~516 Wang N,Chen H,Kuo K H.Two-dimensional quasicrysta with eightfold rotational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1987,59:1010~1013 Bersill,L.A.and Peng Ju-lin,Penrose tiling observed in a quasicrystal1985,Nature,316(4),50-51. Levine.D,Steinhardt P J,Mean-Field Theory of Quasicrystalline Order.Phys.Rev.Lett,1985.54:1524 An aperiodic hexagonal tile.Joan M. Taylor