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1、国妙辎it/贵*孽同幺 Harbin Institute of Technology课程双玮玲文课程名称：结构化学成计题对亍准晶体的认识院系：理学院化学系班级：0907401 班设计者：贺绍忍学号:1090740112哈尔滨工业大学对于准晶体的认识化学系0907401班 贺绍飞摘要从晶体结构、准晶体结构的基本对称规律出发，对比讨论了晶体和准晶 体的基本性质，阐述了晶体与准晶体的基本概念，对比讨论了晶体与准晶体的均 一性、对称性、自限性、最小内能性、稳定性等基本性质。介绍了准晶材料的物 理性能、力学性能和应用现状。并简单阐述了准晶体的缺陷。关键词晶体；准晶体；晶体性质；准晶体性质；准晶体性能；准
2、晶体的缺陷1晶体、准晶体的基本特征1.1晶体、准晶体的概念人们把一些具有规则儿何多面体外形的固体物质称为晶体。实际上多晶体生 长过程中受到物理化学环境的影响难以生成儿何多面体外形，因此，仅仅有无规 则的儿何外形来区分是否是是不恰当的。准晶体在理想条下也能成规则儿何多面 体，但它们的凡何对称与晶体乂有本质区别。很明显，规则的凡何外形并不是晶 体、准晶体的本质，而只是一种外部现象，还有某种内在的、本质的因素存在， 这就是它们分别具有的平移周期结构、平移准周期结构。天然的、人工合成的固体物质，按其结构特点可以分类为：有序结构和无序 结构。对于任何一种晶体而言，不论外形是规则，它们的内部质点在3维空间
3、都有 规律的按周期重复排列而构成格子状构造，这是一切晶体所共有的性质。所不同 的仅仅是，不同的晶体，它们的质点种类不同，排列的方式和间隔大小相应地也 就不同。晶体的定义应当是：晶体是内部质点在3维空间呈周期性重复排列的固体； 或者说，晶体是具有周期平移格子构造的固体。准晶体的定义应当是：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。1. 2 晶体、准晶体的基本性质晶体、准晶体的各项性质，取决
4、于它们本身的化学组成和内部结构。一切晶 体的内部结构都共同遵循晶体的空间格子规律，并由此可以导出一切晶体所共有 的性质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，准晶颗粒 乂十分细小（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。从理论上讨论，晶体、准晶体性质应有以下相似的或 不同的特征。1.2.1 准晶体的均一性均一性指晶体、准晶体在其任一部位上都具有相同性质的特性。晶体结构中 的任何质点，都是在3维空间作周期性的重复分布。因此，对于从同一晶体中分 割出来的各个部分而言
5、，它们必定具有完全相同的内部结构，从而它们所表现出 的各项性质也必定完全一致，亦即都是均一的。准晶体的结构与晶体结构虽然有 所不同，但仍然都是有序结构，准晶体分割出来的不同部分放大或缩小都与整体 结构仍然有相同结构特征，因此宏观反映出来的准晶性质仍然具有均一性。1.2.2准晶体的各向异性各向异性指晶体、准晶体的性质因观察研究方向的不同而表现出差异的特 性。晶体、准晶体结构中质点排列的方式和间距，在不同的方向进行观察研究时, 其各项性质将表现出一定的差异来，这种差异与它们的结构的对称性直接有关， 这就是晶体、准晶体都具有各向异性的根源。1.2.3准晶体的对称性对称性是指晶体、准晶体中的相同部分如
6、外形上的晶面、晶棱，内部结构中 的相同面网、行列或原子、离子等，能够在不同的方向或位置上有规律地重复出 现的特性。在任一晶体结构中的任一行列方向上，总是存在着一系列为数无限且 成周期性重复出现的等同点。准晶体结构中相同轴向上质点排列是相同的，但质 点排列具有数学上严格的准周期性或统计意义上的准周期性。显然，这些就是一 种变换中的不变性，即对称性。所以，在这一意义上说，一切晶体、准晶体无一 例外地都是对称的，只是对称组合规律不同，准晶体性质的对称与其对称型有关。 准晶体对称性较晶体高一些。1.2.4 准晶体的自限性 自限性指晶体与准晶体都能自发地形成封闭的儿何多面体外形的特性。实际 晶体、准晶体
7、往往并不表现儿何多面体的外形，这是由于生长时受到空间限制所 造成的；如果让不具规则外形的微粒继续自由成长，它们还是可以自发地成长为 儿何多面体外形的。晶体生长时遵循布拉维法则和面角守恒定律，准晶体也有这 一特性，在己发现的一些准晶中己证实了这一性质。1.2.5准晶体的最小内能性最小内能性是指晶体、准晶体在相同的热力条件下，较之于同种化学成分的 气体、液体及非晶质体而言，准晶体内能较小，晶体的内能为最小晶体结构是一 种有序结构，具有周期平移格子构造的固体，其内部质点在3维空间均成周性平 移重复的规则排列，这种规则排列是质点之间的引力和斥力达到平衡的结果。准 晶结构一种有序结构，其中质点呈准周期平
8、移排列，这种结构形式是较为稳定方 式或准稳定方式。在此类情况下，无论是使质点间的距离增大或是减小都将导致 质点的势能增加，这就意味着，在相同的热力学条件下，准晶体的内能较小，晶 体的内能应为最小。1.2.6准晶体的稳定性晶体、准晶体的这一性质是指，对于化学组成相同、但处于不同物态下 的物体，以晶体最为稳定，准晶体稳定性次之。晶体、准晶体都不可能自发地转 变为其它物态，这就表明了晶体、准晶体的稳定性。晶体的稳定性和准晶体的次 稳定性，是晶体和准晶体具有最小内能的必然结果，也是由晶体的平移周期格子 构造和准晶体平移准周期格子构造规律所决定的。每种晶体都有自己确定的熔 点，准晶体也应如此，只是准晶体
9、中缺陷很多，熔点不易测准。1.3非晶质体非晶质体是与晶体和准晶体不同的概念，它也是一种固态物体，但其内部质 点在3维空间不成周期性重复排列或准周期自相似性排列，非晶质体没有遵循晶 体和准晶体所具有的空间周期格子和准周期格子规律，它也不可能有晶体和准晶 体所具有的那些基本性质。表现在外形上，它在任何条件下都不可能自发地成长 为规则的儿何多面体；在内部结构上，是一种无序结构，其各个部分之间，仅仅 在统计意义上是均一的，它在不同方向上的性质是同一的。非晶质体在外部性质 上是一种无定形的凝固态物体，在内部性质上则是统计上均一的各向同性体。非 晶质体被认为是一类过冷却的液体。非晶质体没有固定的熔点。如果
10、想在晶体、准晶体与非晶质体之间划一绝对 严格的界线也是有困难的。在许多具有长链状分子的纤维类物质或高聚合物中， 还存在着分子之间成1维或2维的周期性复列的情况。它们是介于晶体、准晶体与 非晶质体之间的过渡类型的物体，或许还存在着准玻璃物质。2准晶体的性能2.1物理性能2.1. 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。2.1.2导电性通常晶体的电阻率最高只有数十Z/Qcm,非晶体合金的电阻率最高也只有儿百/0cm,而准晶的电阻率却非常高，如在液MTAZ-Ch-LZ, Al-Cu-Ru,Al-Cu-Fe系准晶的
11、电阻率分别为900、1000-3000和 1300- 11000/Qcm,而Al-Pd-Re系准晶的电阻率更高达1 z/Qcm以上。因此，高的电阻率是准晶性能 的显著特点之一。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，由此也充分说明高电阻率是准晶固有的特性。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。2.1. 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万。2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
12、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。2.1.4磁性能准晶的磁性能是人们较为关注但乂知之甚少的一个内容，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HAl-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 -外斯定律，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材为20/%的Al-Mn及AlMSi系准晶合金的平均 有效磁矩为1.4B。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M原子都具有磁矩，且具有磁矩的M原
13、子 其磁矩大小也各不相同，具有一定的分布。2.2力学性能2.2.1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。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 /KIC )可知，准晶的脆性较大，是陶瓷材料的4倍以上。进一步的研 充表明，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。2 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
14、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AlCu Fe二十面体准晶在650C以上、Al-Ru-Fe二十面体准晶在 700 C 以上有明显的塑性形变。该准晶在弹性形变区之后立即有一个硬化率很 高的塑性形变区，在此之后随着塑性形变量的增加，应力逐渐下降。真应有一个 明显的应力极大值，该应力的峰值和流变应力都随温度升高而降低。此外，通过 高温蠕变等实验得知Al-Pd-Re和Al-Ru-Fe的高温形变激活能分别为 6-10eV和6. 7-7eV。可见，与高温形变激活能约为2eV的晶体相比，准晶的高温 形变激
15、活能要大的多。实验研究表明，准晶高温塑性形变的主要方式仍是位错的 滑移。准晶高温塑性变形时，除了位错运动也优先在原子密排面进行、也会发生 位错增殖等与晶体塑性变形情况一样之外，它与晶体塑性变形时的主要区别是: 位错移动所需的应力较大；准晶位错扫过的区域并非完整的准晶，而是留下一片 层错；虽然是在高温形变，原子易于扩散，但相位子应变的回复不可能进行得十 分完全，在位错扫过的区域附近还将留下残余的相位子应变，位错可以通过交滑 移和攀移面越过障碍，故尚未观察到位借因遇障碍而停止运动的现象；由于准晶 的高对称性，在任意取向下都有可能启动较多的滑移系，加之高温有利于位错攀 移，故准晶高温形变的过程中极易
16、产生位错反应，因此不象晶体中出现仅由单滑 移系被启动的低硬化率的易滑移阶段，而是塑性形变一出现就有很高的硬化率； 位借反应使相位子分量较大的位借所占比例增大，因而随着位错扫过区域的增 大，残余的相位子应变也增大，完整准晶有序性的破坏加剧，使位错运动的障碍 减弱，结果导致流变应力随塑性形变的增加而减小。2. 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。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。准晶薄膜本身的断裂韧性较低，可以通过 加入韧性相形成准晶复合涂层，在保持较高的硬度和耐磨性的同时提高其断裂
