第9章材料的亚稳态PPT课件

尔一佩奇公式就不适用；
此外，纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛 豫过程而使材料强度下降。
3. 纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转 移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也 异常于通常材料。包括电性能、磁性能、光学性能、 光催化性能等。
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9.1 9.1.3 纳米晶材料的形成 纳 纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。 米 （1）非晶晶化法：非晶态（金属玻璃或溶胶）材料在晶 材 化过程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。
件还与合金成分、晶体结构类型等多种因素有关，并非
所有的合金都能形成准晶。
2. 亚稳态的准晶在一定条件下会转变为结晶相。加热（退 火）促使准晶的转变，故准晶转变是热激活过程，其晶 化激活能与原子扩散激活能相近。但稳态准晶相在加热 时不发生结晶化转变，例如Al16Cu2Fe为二十面体准 晶，在845℃长期保温并不转变。
材料科学基础
上海工程技术大学
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第9章 材料的亚稳态
9.1 纳米晶材料 9.2 准晶态 9.3 非晶态材料 9.4 固态相变形成的亚稳相
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第
9.1 纳米晶材料
九
章 霍尔—佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度
与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。但
材
通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，
德拜温度
单位 10-6K-1 J/(gK) g/cm3
GPa GPa MPa MPa 410-7Tm3/kg 410-9Tm3/kg
K K
金属 Cu Pd Fe Pd Pd Fe-1.8%C Cu Fe Sb Al
多晶 16 0.24 7.9 123 43 700 83 222 -1 1.2 467
（4）液相沉淀反应法：如溶胶一凝胶（sol-gel），热处 理时效沉淀法等，析出纳米微粒。
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第
9.2 准晶态
九
章 晶体学分析得出：由于晶体点阵中各个阵点的周围环
境完全相同，故晶体结构只能有1，2，3，4，6次旋
材
料
转对称轴，而5次及高于6次的对称轴不能满足平移对
的
称的条件，均不可能存在于晶体中。
亚 1984年Shechtman等报道了在快冷 A186Mn14合金
稳
中发现具有 5次对称轴的结构。于是，一类新的原子
态
聚集状态的固体出现了，这种状态被称为准晶态
（quasicrystalline state），此固体称为准晶
（quasicrystal）。在其他一些合金系中也发现了准
晶，除了5次对称，还有8，10，12次对称轴。
料
ห้องสมุดไป่ตู้
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9.1 9.1.1 纳米材料 纳 2. 纳米材料的结构：纳米材料可由晶体或非晶物质组成。
米
材 纳米晶材料存在大量的晶界等晶体缺陷（见图9.1），半 料 晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层
相间地构成的（见图9.2），又如纳米玻璃的组成相均为
非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成，如图
9.3所示。
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9.1 9.1.2 纳米材料的性能
纳 1. 纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平
米
均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高
材
密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。
料
性能 热膨胀系数 比热容(295K)
密度 弹性模量 剪切模量 断裂强度 屈服强度 饱和磁化强度
磁化率 超导临界温度
3. 准晶也可能从非晶态转化形成，例如Al－Mn合金经快 速凝固形成非晶后，在一定的加热条件下会转变成准晶， 表明准晶相对于非晶态是热力学较稳定的亚稳态。
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9.2 9.2.3 准晶的性能
准 晶
1. 从已获得的准晶的结果证明准晶材料都很脆，
材
作为结构材料使用尚无前景。准晶的特殊结构
料
对其物理性能有明显的影响，这方面或许有可
料
（2）高能密度法：通过强烈地塑性形变（如高能球磨、 高速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如高 能粒子辐照、火花刻蚀等）使材料产生高密度缺陷而致自 由能升高，转变形成亚稳态纳米晶。
（3）气相沉积法：通过蒸发、溅射等沉积途径，包括 PVD、CVD等生成纳米微粒然后固化，或在基底材料上形 成纳米晶薄膜材料。
单晶 18 7.5 215 -
纳米晶 31 0.37 6 88 32
8000 185 130 20 3.2
3
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9.1
9.1.2 纳米材料的性能
纳
米 2. 纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态。
材 霍尔-佩奇公式不适合纳米晶材料。这是因为，当晶
料
粒尺寸为纳米级时，晶粒中可存在的位错极少，故霍
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9.2 9.2.1 准晶的结构 准 由于准晶不能通过平移操作实现周期性，故不能如 晶 晶体那样取一个晶胞来代表其结构。目前较常用的 材 是以拼砌花砖方式的模型来表征准晶结构：
料
a．一维准晶：这类准晶相常发生于二十面体相或 十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态， 故属亚稳状态。
b．二维准晶：它们是由准周期有序的原子层周期 地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结 合在一起。
c．二十面体准晶：A类二十面体多数是铝一过渡 族元素化合物，而B族极少含有过渡族元素。
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9.2 9.2.2 准晶的形成
准 1. 大多数准晶主要通过液态金属快冷或气相沉积等方法形
晶
成。准晶的形成过程包括形核和生长两个过程，当冷速
材
过慢不能抑制结晶过程而会形成结晶相；冷速过大则准
料
晶的形核生长也被抑制而形成非晶态。此外，其形成条
料
霍尔—佩奇公式的验证也只是到此范围。
的
亚 随着材料制备新技术的发展，人们开始研制出晶粒尺寸
稳
为纳米（nm）级的材料，并发现这类材料不仅强度更高
态
（但不符合霍尔一佩奇公式），其结构和各种性能都具
有特殊性，引起了极大的兴趣和关注。
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9.1
9.1.1 纳米材料
纳
米 1. 纳米材料：是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳 材 米的结构单元（主要是晶体）所构成。
利用之处，尚待进一步研究。
2. 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，说明其准周期性排列仍是较密集的。 准晶的比热容比晶态大，准晶合金的电阻率甚 高而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。
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第
9.3 非晶态材料
九
9.3.1 非晶态的形成