准晶材料
准晶材料
上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外， 上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外，还 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态的概念来自于Penrose提出的数学游戏。我们知道正 准晶态的概念来自于 提出的数学游戏。 提出的数学游戏 五边形不能不留空隙的充满一个平面。 五边形不能不留空隙的充满一个平面。但Penrose发现由下面两 发现由下面两 种四边形可以布满空间而不留空隙。 种四边形可以布满空间而不留空隙。
（a）风筝，（b）箭
Penrose拼接图案
分析两个四边形发现， 分析两个四边形发现，存在两种特 征长度，分别用 和 征长度，分别用1和
τ
表示。 表示。
1+ 5 τ= = 1.618 2
四边形中两种特征长度
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 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 取向序而没有长程的 称序（周期性）； 称序（周期性）； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性；沿取向 序对称轴的方向具有准周期性， 序对称轴的方向具有准周期性，由两个或两个以上不可公度的 特征长度按着特定的序列方式排列。 特征长度按着特定的序列方式排列。
根据前面对称性的讨论晶体没有五次或六次以上的对称轴但shechtman等人在用快速பைடு நூலகம்却方法制备的almn合金中发现了五重对称的电子衍射图案
第十节
准晶态
本节的重点： 本节的重点： 准晶态材料结构； 晶态材料结构；
根据前面对称性的讨论， 根据前面对称性的讨论 ， 晶体没有五次或六次以上的对 称轴， 等人在用快速冷却方法制备的AlMn合金中 称轴，但Shechtman等人在用快速冷却方法制备的 等人在用快速冷却方法制备的 合金中 发现了五重对称的电子衍射图案。 发现了五重对称的电子衍射图案。并且斑点的明锐程度不亚于 晶体情况。 晶体情况。
准晶体的结构简介
的所有砖块涂上标记色（如橙色），就会发现:
色块曲曲弯弯地大致沿垂直于箭头的方向延伸，“延
伸线”大致等距离是准周期性的表现.
“延伸线”方向也有5个, 即下图5个红箭头的垂直方向(不 过, 其余4种延伸没有画出). 5个方向的延伸线的交角为72度. 所以,样品的电子散射显示五重对称性.
如果将以上的讨论推广到三维空间, 正二十面体具有五 重对称性, 它有12个顶点，共13个原子. 由立体几何可知：
无空隙地铺砌地面，而单纯用正五边形砖却会出现“失配”：
将砖块换成原子，就意味着原子按六重对称性排布可以
密排成无限延伸的二维晶体，而按五重对称性排布却不行：
但是，有没有别的办法可以铺砌成具有五重对称性的 无空隙地面呢？有.
1974年，牛津大学的Roger Penrose找到一种办法，
但需用两种形状的砖, 铺砌也不能只沿两个独立方向重复， 即铺砌图案是非周期性的！这两种砖分别称为“瘦菱形” 和 “胖菱形”，二者边长相等但夹角不等：
利用三维Penrose铺砌来描述某种特定的合金时, 需要
对两种菱面体作适当的“装饰”, 把有关的原子置于菱面 体的一定位置上, 使铺砌结构中各种原子数目符合正确的 比例.
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不依古法但横行，自有风雷绕膝生
准晶体的发现并没有推翻晶体的轴次定理，却拓宽 了人类对固体结构的认识。在此发现10年之前，
Penrose就从数学上发现和研究了这种结构，后来又对
准晶体的成长机理大胆地提出了新颖的见解，思想的深 度与广度都令人惊叹。 “不依古法但横行，自有风雷绕膝生”，这一系列 的发现和认识，的确令人深思。
不久前揭晓的2011年度诺贝 尔化学奖得奖名单中，以色列 化学家Dany .Shechtman丹尼 尔· 舍特曼因为对材料中准晶 体的研究独得该奖。
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。
准晶材料的发展历程及其研究现状
准晶材料的发展历程及其研究现状摘要：本文介绍了准晶的定义、分类，并阐述了准晶材料的发展历程。
简要概括了准晶材料的国内外研究现状。
最后，概括《热处理对含有十二面体准晶相的Ti1.4V0.6Ni合金电极的电化学性质的影响》大意。
关键词：准晶材料；定义；发展历程1 准晶材料的定义自第一个具有突破传统晶体学范畴的5次旋转对称合金相问世以来，至今人们已相继发现了具有8次、10次和12次旋转对称的合金相，这些合金的电子衍射花样特征表现出不同于晶体的5次对称和高于6次、8次、10次、12次对称，这些差异表明准晶代表了一种新的固态结构。
但5次及6次以上对称在传统晶体中是不允许存在的，因为不能仅仅用这样的几何单元来堆垛成无空隙的空间。
所以这些合金相既不能称为晶体(没有周期平移对称性)，又不能称为非晶体(具有长程有序)。
人们把这种违反传统晶体学理论的合金相命名为准周期晶体(Quasi-periodic Crystal)，简称准晶(Quasicrystal)。
由此可以得到准晶的定义为：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。
2 准晶材料的发展1984年，美国科学家D.shechtman等[1]在研究用急冷凝固方法使较多的Cr、Mn和Fe等合金元素固溶于Al中，以期得到高强度铝合金时，在急冷Al-Mn合金中发现了一种奇特的具有金属性质的相。
这种相具有相当明锐的电子衍射斑点，但不能标定成任何一种布拉维点阵，其电子衍射花样明显地显示出传统晶体结构所不允许的5次旋转对称性。
DShechtman在美国《物理评论快报》上发表的“具有长程取向序而无平移对称序的金属相”一文中首次报道了发现一种具有包括5次旋转对称轴在内的二十面体点群对称合金相，并称之为二十面体相(Icosahedral phase)。
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。
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。
准晶材料制备技术
晶体的结构是高度有序化的,它具有以原胞周期性排列 为特征的程平移序和满足晶体学点群为标志的最近邻价健长 程指向序.
相反地,非晶固体却不具备这种晶体长程相关性. 准晶体作为一种被新发现的晶体结构形态,在结构特征 上是处于两者之间的.
增加Al-Mn合金中的Mn含量，准晶的硬度随之增大。 A178 Mn22 准晶在室温的硬度超过700kg/mm2。
准晶虽然硬度高，耐磨性能并不一定好，Al-15wt%Mn2wt%Fe准晶的耐磨性比相应的晶态差。
准晶材料的特性
8、准晶的韧性差： 大多呈穿晶断裂，故准晶难于单独作为结构材料
使用，但可以将韧性好的晶态材料作基体，以准晶作 弥散第二相，可以提高材 料的综合性能。如果将准晶 的晶粒减小到纳 米尺寸后，准晶的强度和韧性都有很 大提 高， 如A1基合金中准晶晶粒减小到纳米量级后，材料中准 晶含量达70 -80％，材料的强度和韧性都超过不含准 晶的同类合金。
准晶材料的特性
6、磁性能——较为关注但知之甚少 研究Al2 M n系准晶合金的直流和交流磁化率与温度之间的 关系发现： ➢ 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。 ➢ 直流磁化率与温度关系求出含M n为20at%的Al2Mn及
Al2Mn2Si系平均有效磁矩为1. 4μB。 ➢ 进一步核磁共振、核比热与磁比热以及饱和磁矩研究发现，
准晶材料的特性
9、光学特性
高质量的准晶样品具有与绝缘体、半导体不同的光学特性。块体的 纯准晶或准晶薄膜，在很宽的波长范围内均有60%的反射率，比导电材 料Al、Fe要低，但优于半导体材料Si和绝缘材料。
6.2 准晶的形成机理
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， 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。
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-Ih （冰、雪、霜）常压，0°C，六方晶系，空间群D64h−P63 mmc∠OOO非常接近109.5° O—H…O 和 O…H—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 有五边形的平面结构。
论文第一作者哈维尔·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。
研究人员指出，这项发现带来的启发是，人们在寻找用于 人工造云、降雨的新冰核物质时，并非一定要集中在六边形外 观的材料上，五边形等其他结构外观的材料也可能同样适用。
High resolution X-ray emission spectroscopy of liquid water: The observation of two structural motifsT. Tokushima, Y. Harada, O. Takahashi, Y. Senba, H. Ohashi, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, S. ShinChemical Physics Letters Volume 460, Issues 4-6, 30 July 2008, Pages 387-400从美国斯坦福直线加速器中心 （SLAC）、日本SPring—8同步 加速器和广岛大学以及瑞典斯德 哥尔摩大学收集的新实验证据表 明，现有液态水结构理论是错误 的。
准晶特性
Southwest Jiaotong University
西南交通大学
discover of quasicrystal
以色列， 以色列，Dan Shechtman 教授 准晶被誉为 20 世纪 80 年代凝聚态物理 的两大重大进展之一 说起准晶，其实质是一种具有长程取向序 说起准晶， 但无平移对称性材料。 本人对“ 但无平移对称性材料。Shechtman 本人对“准 这个名字并不赞赏。 他后来表示: 晶”这个名字并不赞赏。 他后来表示 自己并 不喜欢这个词． 不喜欢这个词．“因为这个词意味着准周期性 晶体不是晶体，根据国际晶体学会的新定义， 晶体不是晶体，根据国际晶体学会的新定义， 它是晶体． 但是这个词已经广泛应用了． 我 它是晶体． 但是这个词已经广泛应用了． 更喜欢叫它们准周期性材料” 更喜欢叫它们准周期性材料”．
电阻率 异常高
西南交通大学
Southwest Jiaotong University
准晶特性
导电特性差别简析：
位于费米能级的伪能隙存在
导电特性
高电阻率
费米能级的电子趋于局域化
Southwest Jiaotong University
西南交通大学
准晶特性
导电特性差别简析： 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。
准晶材料具有典型的高硬度，高强度。 准晶材料具有典型的高硬度，高强度。 以镁基准晶为例进行进一步的探讨： 以镁基准晶为例进行进一步的探讨： 导电特性 以色列工业大学和美国国家标准局 NIST ) 将快速凝 色列工业大学和美国国家标准局( 色列工业大学和美国国家标准局 固镁合金 M g- 5 5Zn- l 5Y-1Ce( - 1Zr) 合金急冷薄带经 挤压成形后, 得到了抗拉强度> 过粉碎和 300 挤压成形后 得到了抗拉强度 590 MPa, 延伸率约为17% 的超高强度镁合金 延伸率约为
准晶特性
镁系准晶（ 镁系准晶（Mg- Zn- RE系合金）
镁系准晶（ 镁系准晶（Mg- Zn- RE系合金）
镁系准晶（ 镁系准晶（Mg- Zn- RE系合金）
1+ 5 2
镁系准晶（ 镁系准晶（Mg- Zn- RE系合金）
镁系准晶（ 镁系准晶（Mg- Zn- RE系合金）
准晶特性
1、导电特性
一般金属电阻率： 一般金属电阻率：
导电特性
Southwest Jiaotong University
西南交通大学
准晶材料的应用
准晶材料最早应用于不粘锅的表面 如 AlCuMn 准晶的不粘性可与最好的 不粘性材料聚四氟乙烯相比。
准晶材料的性能特点有较高的硬度、低摩擦系数、不粘性、耐 蚀、耐腐等，但准晶材料在常温环境下呈脆性，这大大限制了准晶 的应用。目前准晶材料主要用于表面改性材料和结构材料增强相。 准晶材料在表面改性材料这一方面，主要应用于炊具表面材料、隔 热材料和太阳能工业薄膜材料;准晶材料在作为结构材料增强相中， 主要用准晶相作时效强化相、用准晶纳米颗粒增强Al基合金、用准 晶颗粒增强复合材料等。
Southwest Jiaotong University
西南交通大学
discover of quasicrystal
以色列， 以色列，Dan Shechtman 教授 准晶被誉为 20 世纪 80 年代凝聚态物理 的两大重大进展之一 说起准晶，其实质是一种具有长程取向序 说起准晶， 但无平移对称性材料。 本人对“ 但无平移对称性材料。Shechtman 本人对“准 这个名字并不赞赏。 他后来表示: 晶”这个名字并不赞赏。 他后来表示 自己并 不喜欢这个词． 不喜欢这个词．“因为这个词意味着准周期性 晶体不是晶体，根据国际晶体学会的新定义， 晶体不是晶体，根据国际晶体学会的新定义， 它是晶体． 但是这个词已经广泛应用了． 我 它是晶体． 但是这个词已经广泛应用了． 更喜欢叫它们准周期性材料” 更喜欢叫它们准周期性材料”．
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、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。
准晶体的发现、研究及应用前景
准晶体的发现、研究及应用前景王一贺31200001701984年，舍特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，其实自然界早已经有准晶体的踪影。
2009年，在意大利佛罗伦萨自然科学史博物馆的一块古老岩石中，意大利和美国科学家发现了天然准晶体化合物的“芳踪”，如图2所示，他们把这种由铝、铜和铁三元合金系组成的新矿物质命名为Icosahedrite(取自正二十面体)。
而这种天然准晶体似乎来自45亿年前的一块陨石，它可能是一种最古老的矿物质，形成于太阳系的诞生。
这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。
准晶体没有周期性，但具有准周期性。
准周期是指质点的排列具有长程有序，但不体现周期重复。
根据三维物理空间中材料呈现的维数，可以把准晶体分为三维准晶体、二维准晶体和一维准晶体。
准晶体的各项性质，取决于其本身的化学组成和内部结构。
一切准晶体的内部结构都共同遵循准晶体的空间准周期格子规律，并由此可以导出一切准晶体所共有的性质。
由于准晶体结构中缺陷极为普遍，准晶体颗粒又十分细小(微米级)，而且还具有一些向晶态、玻璃态过渡的现象，因此准晶体的性质常常偏离理想状态。
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。
准晶体的性能主要包含以下三方面内容。
第一，导电性能。
与金属的导电性质相比，准晶体显示出一种迥然不同的性质。
准晶体一般有比较大的电阻。
当温度不太高时，准晶体的电阻随温度的增加而减少。
准晶体的电阻与其组分浓度有关。
实验发现，准晶体的导电性能随样品质量的改善反而降低。
准晶体异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响。
第二，磁性能。
对高电阻的准晶的磁阻，当温度不高时，准晶体磁致电阻情况很复杂，但若温度大于100K时，磁阻将随外场的增加而减少。
这时的Kohler规律不在适用。
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。
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。
晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别
晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别晶，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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上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外， 上述矛盾使得人们想到固体材料除了晶态和非晶态外，还 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态 有一种介于晶态和非晶态之间的新的状态，称之为准晶态。 准晶态的概念来自于Penrose提出的数学游戏。我们知道正 准晶态的概念来自于 提出的数学游戏。 提出的数学游戏 五边形不能不留空隙的充满一个平面。 五边形不能不留空隙的充满一个平面。但Penrose发现由下面两 发现由下面两 种四边形可以布满空间而不留空隙。 种四边形可以布满空间而不留空隙。
五重旋转对称准晶图案
（a）风筝，（b）箭
Penrose拼接图案
分析两个四边形发现， 分析两个四边形发现，存在两种特 征长度，分别用 和 征长度，分别用1和
τ
表示。 表示。
1+ 5 τ= = 1.618 2
四边形中两种特征长度
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 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 取向序而没有长程的 称序（周期性）； 称序（周期性）； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性； 取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性；沿取向 序对称轴的方向具有准周期性， 序对称轴的方向具有准周期性，由两个或两个以上不可公度的 特征长度按着特定的序列方式排列。 特征长度按着特定的序列方式排列。
第十节
准晶态
本节的重点： 本节的重点： 准晶态材料结构； 晶态材料结构；
根据前面对称性的讨论， 根据前面对称性的讨论 ， 晶体没有五次或六次以上的对 称轴， 等人在用快速冷却方法制备的AlMn合金中 称轴，但Shechtman等人在用快速冷却方法制备的 等人在用快速冷却方法制备的 合金中 发现了五重对称的电子衍射图案。 发现了五重对称的电子衍射图案。并且斑点的明锐程度不亚于 晶体情况。 晶体情况。