准晶材料的研究现状及其前景展望

２００７ ／ ２ 现代铸铁 ６５
经
Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
营
管
理
与
技
术
的 ５ 次旋转对称性。几乎在同一时间， Ｄ．Ｌｅｖｉｎｅ
发
及 Ｓｔｅｉｎｈａｒｄ［２］在研 究 具 有 ５ 次 对 称 的 原 子 簇 时 ，
展
从理论上计算出具有明锐的 ５ 次对称性的衍射
图， 并称这种具有 ５ 次对称取向序而无周期平移
文献标识码： Ａ
文章编号： １００３－ ８３４５（ ２００７） ０２－ ００６５－ ０３
Ｐｒ ｅｓｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ａｎｄ Ｐｒ ｏｓｐｅｃｔ Ｆｏｒ ｅｃａｓｔ ｏｆ Ｑｕａｓｉｃｒ ｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ
ＤＩＮＧ Ｌｕ－ ｆｅｎ， ＳＵ Ｇｕａｎｇ－ ｃａｉ
准 晶 中 有 序 度 最 高 的 Ｚｎ６０Ｍｇ３０ＲＥ１０ 二 十 面 体
准 晶［９］。
２０００ 年末， 旅日中国台湾科学家蔡安邦领
导 的 课 题 组 在 Ｃｄ－ Ｙｂ 系 中 发 现 了 二 维 稳 定 准
晶， 这打破了稳定准晶材料存在于三元或三元以
上合金系的经验规律［１０］。
迄今为止， 人们已经在 Ａｌ 合金、过渡族金属
术
晶纳米颗粒增强 Ａｌ 基合金等［１８］。另外在其导电、 ［９］王仁卉．准晶研究现状［Ｊ］．国际学术动态， ２０００， （２）：６０－ ６２．
发
［１０］Ｔｓａｉ Ａ Ｐ， Ｇｕｏ Ｊ Ｑ， Ａｂｅ Ｅ． Ｎａｔｕｒｅ， ２０００： ４０８－ ５３７．
展
热传导、光传导等传导特性、储氢特性、高温塑性
［１１］丁 棣 华．准 晶 的 弹 性 、塑 性 与 位 错［Ｊ］， 物 理 学 进 展 ， １９９８， １８，
Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
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营
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理
与
技
术
准晶材料的研究现状及其前景展望
发 展
丁路芬， 苏广才
（ 广西大学 机械工程学院， 广西 南宁 ５３０００４）
摘要： 综述了准晶材料的结构、特征及其应用现状， 认为目前将 准 晶 材 料 以 涂 层 或 薄 膜 的 形 式 涂 覆 于 其 它 材 料 表 面 ， 只
序的物质为准周期性晶体， 简称准晶［３］， 实现了理
论与实践的结合。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、ｌＯ 次和 ｌ２ 次旋转对 称
的合金相。１９８７ 年 Ｆｒｉｅｄｅｌ 等首先提出 Ａｌ－ Ｌｉ－ Ｃｕ
稳 定 准 晶 是 电 子 金 属 间 化 合 物 ， 即 Ｈｕｍｅ －
准晶的发现推翻了人们在一百多年间形成 的传统观念， 在材料领域及与晶体学有关的固体 物理学界产生很大震动， 大大激发了人们的研究 兴趣， 对于材料科学的发展具有重要意义， 至今 仍被认为是材料科学研究的前沿。
目前准晶材料的应用有以下几个方面， 一是 将准晶材料以涂层或薄膜的形式涂覆于其它材 料的表面， 主要利用它的不粘性、难表面氧化性、 耐热、耐磨、低的摩擦系数、耐蚀及特殊的光学性 能， 从而改变材料表面的性质， 优化整体材料的 性能。用作炊具表面材料、隔热材料、太阳能工业 薄膜材料等。二是准晶合金的本质脆性和不可避 免的存在疏松限制了其本身作为结构件的应用， 为了利用其高硬度、不粘性、耐热、耐磨和耐腐蚀 等良好的综合性能， 考虑第二相强化机制（弥散 强化）， 将其用作结构材料的增强相。将准晶相作
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｎｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｘｉ ５３０００４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ， ｔｈｅ ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄ ｊｕｓｔ ａｓ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｏｒ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｏ ｃｏｖｅｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｓｕｃｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｕｔｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｎｏｎｓｔｉｃｋｉｎｅｓｓ， ｓｕｒｆａｃｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｌｏｗ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｐｅｃｕｌｉａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｈｏｗｅｖｅｒ ｓｏｍｅ ｏｔｈｅｒ ｐｅｃｕｌｉａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒｓ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ， ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ， ｃａｔａｌｙｓｉｓ ｅｆｆｅｃｔ， ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｂｒｉｇｈｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ； ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
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着专业化、规模化的方向发展。同时由于铸造产 品的利润有限， 铸件的深加工也将是发展趋势。
（ ４） 为了提高汽车铸造产品的盈利能力， 铸 造企业应该不断提高质量保证能力， 成为国内和 国际汽车大公司的 ＯＥＭ 供应商。
１ 准晶材料的发展历程
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
Ｒｏｔｈｅｒｙ 相。这一重要进展从电子结构出发揭示
了准晶的本质［４］。
１９８７ 年， 王宁等［５］及曹巍等［６］分别在急冷 Ｃｒ－
Ｎｉ－ Ｓｉ，Ｖ－ Ｎｉ－ Ｓｉ 合金和 Ｍｎ－ Ｓｉ 合金中发现具有 ８
次旋转对称的二维准晶相。美国的 Ｌ．Ｂｅｎｄｅｒｓｋｙ
等［７］在 Ａ１－ Ｍｎ 合 金 中 发 现 １Ｏ 次 对 称 的 二 维 准
晶相。Ｔ．Ｉｓｈｉｍａｓａ 等［７］在 Ｎｉ－ Ｃｒ 合金中发现 １２ 次
对称准晶。１９８８ 年我国学者何伦雄等［７］在急冷的
Ａｌ－ Ｃｏ－ Ｃｕ 合 金 及 Ａｌ－ Ｎｉ 合 金 中 发 现 了 一 维 准
晶。蔡安邦等［８］在铸锭退火的 ＡｌＣｕＭｎ 合金中得
到了稳定的一维准晶。
１９９３ 年， 罗治平等发现了迄今发现的稳定
合金及含有稀土元素或锕系元素的合金等众多
合金系中发现了上百种准晶 ， 尤其是 １９８７ 年发
现了稳定而结构完整的 Ａｌ－ Ｃｕ 一过渡族金属二
十面体准晶， 加之制备方法的进步， 极大地促进
了准晶材料制备、性能和应用的研究 ， 为准晶材
料的全面开发奠定了基础。
在准晶的缺陷方面， 准晶位错的基本理论在
１９８５ 年就发展起来了， 并且有了相当细致地描
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Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
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为 时 效 强 化 相 ， 用 准 晶 颗 粒 增 强 复 合 材 料 ， 用 准 ［８］Ｃｈｅｎ Ｈ， Ｌｉ Ｄ Ｘ， Ｋｕｏ Ｋ Ｈ． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．，１９８７， ６０： １ ６４５．
是利用了准晶材料的不粘性、难表面氧化性、耐热、耐磨 、低的摩擦 系 数 、耐 蚀 及 特 殊 的 光 学 性 能 ， 而 准 晶 材 料 还 具 有 独
特的热电性、磁阻性、吸氢性和催化性等性能尚未被应用， 预言了准晶材料将会有广阔的应用前景。
关键词： 准晶； 研究现状； 应用前景
中图分类号： ＴＧ２８３
厂 长（ 经 理） 国 际 会 议 ＮＣＦＤ＇ ２００６［Ｃ］． 中 国 铸 造 协 会 ， ２００６， （ ４） ： ２５－ ３０． ［４］洪 晓 先．中 国 未 来 的 汽 车 工 业 发 展 对 铸 造 业 的 要 求 及 汽 车 铸 件生产的发展方向［Ｊ］．铸造纵横， ２００５，（ ７） ： １１－ １８．
在准晶材料的应用方面， 法国学者率先研制 出准晶不粘锅， 这是首次应用准晶材料。随后准 晶材料的应用得到了大量的研究。
２ 准晶材料的研究现状及发展前景 展望
１９８４ 年首次关于准晶的报告发表后， 立即 在国际上掀起了强烈的准晶研究热潮。晶体学家 和数学家致力于探讨准晶的原子结构和结构缺 陷； 物理学家专注于研究准晶奇特的电子结构以 及物理性能和力学性能； 材料学家则着重研究新 的准晶材料的发现、大块准晶的制备， 并积极探 索准晶材料的应用。
参考文献
［１］ 许 藏 军．２００４ 年 我 国 铸 件 进 出 口 概 况 ［Ｊ］． 铸 造 纵 横 ， ２００５，
（ １１） ： ２０－ ２３． ［２］杨 利 坚．汽 车 零 部 件 需 求 对 铸 造 业 之 机 遇［Ｊ］．铸 造 纵 横 ， ２００５，
（ １０） ： １５－ １７． ［３］刘金城．与你分享发达国家铸造厂的 管 理 经 验［Ａ］．第 七 届 铸 造
述。１９８７ 年， 应用电子显微技术分别在 ＡｌＭｎＳｉ
和 ＡｌＬｉＣｕ 二十面体准晶中获得了位错的高分辨
电子显微像和衍衬像， 后来陆续在实验室观察到
Байду номын сангаас
了孪晶， 堆垛层错， 畴结构和公度错结构等［１１］。枝
川圭一等［１２］采用透射电镜高温台在 Ａｌ－ Ｃｏ－ Ｃｕ 十
次准晶中于 ８５０ ℃观察到相位子型的原子翻转。 日本和法国学者采用非弹性中子散射法率先在 Ｚｎ－ Ｍｇ－ Ｙ 二 十 面 体 准 晶 中 观 察 到 声 频 支 声 子 ， 在 Ａｌ－ Ｐｄ－ Ｍｎ 二 十 面 体 准 晶 中 观 察 到 光 频 支 声 子［１３］。
在准晶的制备方面， Ｅｃｈｅｒｔ 等［１４］人 利 用 机 械 合金化技术成功地在 Ａｌ－ Ｃｕ－ （Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ）合金系中 直接获得了准晶。孙凯等［１５］通过注入 Ｍｎ 离子， 于 １９９７ 年首次在半导体材料 Ｇａ－ Ａｓ 表层发现二十 面体准晶颗粒。Ｄｕｂｏｉｓ 等［１６］用热喷涂方法制备出 Ａｌ－ Ｃｕ－ Ｆｅ、Ａｌ－ Ｃｕ－ Ｆｅ－ Ｃｒ 和 Ａｌ－ Ｃｕ－ Ｆｅ－ Ｃｒ－ Ｓｉ 系 列准晶薄膜。陈立凡等［１７］在 Ａｌ－ Ｃｕ－ Ｃｏ－ Ｇａ 合金系 中制备出具有高度结构完整性的十面体单准晶。
等方面也得到了一定程度的应用。
（３）： ２２３－ ２６０．
准晶材料作为一种新兴材料， 从发现至今不
［１２］枝川圭一．Ｅｄａｇａｗａ ｅｔ ａｌ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２０００， ８５： １ ６７４．
过二十几年的时间， 由于其特殊的结构和性能，
［１３］王 仁 卉．准 晶 研 究 的 现 状 与 展 望［Ｊ］．国 际 学 术 动 态 ， ２００２， （６）：
材料科学迅猛发展， 新材料层出不穷， 由于 特殊的结构使准晶材料具有一些优异的性能， 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、研究现状及其发展前 景将有助于对这种新材料有个大体的认识。
收稿日期： ２００６－ ０８－ ３１ 修定日期： ２００６－ １１－ １４ 作 者 简 介 ： 丁 路 芬（ １９８２－ ） ， 女 ， 山 东 日 照 人 ， 在 读 硕 士 ， 主 要 研 究方向： 碳化钛、碳化钒增强铁基复合材料的切削加工性能； Ｅｍａｉｌ： ｌｕｆｅｎ１１０２＠１６３．ｃｏｍ。