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1、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 material
2、s 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
3、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
4、 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
5、 significance, which is the main content for this question.Keywords: Quasicrystal Physical properties Performance Quasicrystals目 录编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页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。我们知道，传统的晶体学基于晶体微观结构的周期性，晶体是绝对不会出现5次和高于6次对称轴的。准晶的电子衍射图居然出现了5次对称，只好给这个新
6、生儿起了个“准晶”的名字，具有对称性结构的固体都应该可以称之为晶体,只是其中传统晶体的定义是建立在一阶对称基础上所谓1-4次对称以及6次对称。准晶则是建立在超对称基础上所谓5次对称。考虑到光波的复合可以用这两种对称作出表示,那么A crystal is a structure the description of which is much smaller than the structure itself（晶体是一种固体，远程与位置或平移周期性或规律性秩序）也许可以得到更直观的表达1。它已表现出许多优异的性能，从发现至今不过二十几年的时间，由于其特殊的结构和性能，已引起了全世界科研工作者的极
7、大兴趣，并认识到了这种新材料的发展潜力，因此，准晶材料将会是今后材料科学领域研究的一个重要方向，尤其是在其制备技术和应用方面,存在较大的发展空间。准晶薄膜虽然可以制得，但到目前为止，只有法国、日本、美国等几个国家真正掌握了其制备技术。另外，准晶仅在表面涂层、增强材料等几个方面得到了有限的应用，它所具有的独特的热电性、磁阻性、吸氢性、催化性等的应用都还需要进行系统的研究和开发。这都预言了准晶材料将会有广阔的应用前景，但现遇到的问题还需进一步的研究解决。第1章 准晶结构的确定、形成以及主要物理性质1.1 准晶结构的确定 在 1984 年准晶被发现之前，物理学家一致认为固态物质存在的方式只有晶体和非
8、晶体两类 前者的结构周期有序的，其对称性受周期性的限制，只有固定的几种；后者的结构是长程无序的，仅短程有序，因而不存在任何对称性而准晶，即准周期晶体，是一种同时具有长程准周期平移有序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，它是一种新型的固态结构2，准晶的发现，打破了旧的晶体学对固态物质的定义，震惊了整个科学界由于其结构的独特性，准晶一直受到材料物理，化学数学等领域科学家的广泛关注随着对准晶研究的逐步深入，以及对其特殊性质的全面认识，准晶已经发展成为一门独立的分支学科，并且属于现代固体物理和材料学领域的前沿学科3。在准晶发现之前，科学家们已经开始了对于准周期结构的研究1974 年，英国数学家 Penr
9、ose 设计出一种准周期拼图4(如图 a)，这种拼图首次用两种拼块按照严格的拼接规则构成了准周期图形，拼块是锐内角分别为 36 和 72 的菱形单元这样的准周期图形对晶体学产生了深远影响在上世纪80年代初，期晶体学家Levine和 Steinhardt5将Penrose拼图引入晶体学，获得五次对称的傅立叶变换图谱(如图 b 所示)，并提出了准点阵的概念1984年夏，Shechtman在美国马里兰州国家标准局与Gratias Cahn等科学家合作，采用碎冷法制备A18Mn合金，通过电子衍射法分析，得到了具有明锐布拉格散射斑点的图像他们对衍射图样作进一步分析，发现除了15个二次轴和10个三次轴外，
10、还发现了6个五次对称轴而几乎在同时，Levine和 Steinhardt已从理论上计算出具有5次对称性的衍射图理论和实践的完美结合，充分肯定了5次旋转对称的客观存在之后，他们在美国物理评论快报上发表了一篇题为具有长程取向有序而没有平移对称序的金属相的论文，报道了他们发现的这种具有五重旋转轴的二十面体点群对称的合金相五重轴与周期点阵是不相容的，因此Shechtman等人的这一报道，在晶体学及与晶体学有关的各个学科中，如固体物理、固体化学、材料科学、矿物学等，产生了巨大影响，随后人们陆续在其它的合金系中找到各类准晶，对称性也扩展到八次、十次、十二次，充分肯定了这种新型固态物质准晶的存在6。1.2
11、准晶材料的概念1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的AlMn合金中发现了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。1.3 概述准晶材料的主要物理性质准晶材料的主要物理性质有力学性质与物理性质，包括力学性质的：常规力学性能、高温力学性能、摩擦性能、表面抗氧化及不粘特性、弥散强化特性等，而物理性质有密度、导电性、导热性、光传导特性、磁性能、储氢特性等等。第2章 准晶材料的物理性质2.1 力学性能2.1.1 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。表1
12、列出了部分准晶、陶瓷材料及高强铝合金的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性7。由表1中数据可以看出,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1/41/5,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 )8可知,准晶的脆性较大,是陶瓷材料的4倍以上。进一步的研究表明,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。表1:部分准晶、陶瓷的弹性模量、硬度和断裂韧性成分结构弹性模量/MPa维氏硬度断裂韧性/MpaM1/2Al65Cu20CO15(铸态)十次准晶11.51.0Al65
13、Cu20CO15（850退火）十次准晶11.01.2Al-Cu-Fe二十面体准晶2309.511.01.51.8Al-Cu-Co-Si十次准晶1408.51.0Cl-Co-Ni十次准晶9.5Al-Pd-Mn十次准晶2157.09.50.51.5MgO陶瓷8Z3O陶瓷10.5Al2O3陶瓷13.54.5高强铝合金1.85402.1.2 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现出极端脆性。然而,实验结果表明9,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Al2Cu2 Fe10二十面体准晶在 6
14、50以上、Al-Pd-Mn和 Al-Ru-Cu二十面体准晶在700以上有明显的塑性形变。通过对 Al70.6Pd21.1Mg8.3二十面体准晶单晶在760和 800下的真应力应变曲线分析可知,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。真应力应变曲线上都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-Ru-Cu、Al-Pd-Mn和Al-Cu-Fe的高温形变激活能分别为610eV、68eV和6.77eV。可见,与高温形变激活能约为2eV的晶体相比,准晶的高温形变激活能要大的多。实验研究表明
15、,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：由于相位子应变场的存在致使位错的可动性降低,因此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；高温下运动的准晶位错可以通过交滑移和攀移面越过障碍,故尚未观察到位错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；准晶高温形变过程
