准晶体结构简介共15页

准晶的组成和结构
组成：从组成上看，至今发现的准晶绝大
称性。介于玻璃（短程有序，长程无序）和晶体（长程 有序，且具有平移对称性）之间。
金属玻璃
金属准晶体
金属晶体
天然准晶矿物
准晶体立体模型
准晶体原子结构模型
准晶体平面堆砌图
彭罗斯贴砖图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体
结构模型图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 稳定性
在300℃中保温6h和在350℃中保温1h都不发生 晶化 在400℃保温1h晶化为稳定的Al6Mn晶相 准晶相为典型的介稳相
准晶体的分类
根据三维物理空间中材料呈现准周期性的维数划分
三维准晶：有二十面体准晶和立方准晶两大类 二维准晶：有十次准晶、十二次准晶、八次准晶和五 次准晶四类。 一维准晶：原子在二维上是周期分布的，另外一维是 准周期分布的。 根据准晶在热力学上的稳定性划分 可将其分为稳定准晶和亚稳定准晶两大类。 至今发现的近200种准晶中有七十多种是热力学稳定的
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 合成制备
含Mn、Fe、Cr 10-14%的Al金属熔体急冷，一步 转化为介稳的固体 生成过程包括成核和长大两个过程，随着准晶相 的形成，发生两相隔离，界面扩散速度10-2m/s, 生成时间10-4s.
Shechtman D, Blech I, Gratias D, et al. Metallic phase with longrange orientational order and no translational symmetry[J]. Physical Review Letters, 1984, 53(20): 1951.
准晶材料的应用

遗
妒
捞
准晶的制备：
急冷甩带法：
帕
离
颇
锤淬法：熔融金属，汽锤敲击
净
诗
彩
任何用于制备亚稳定合金相的方法
滦
垮
吗
(离子束混合，离子注入，气相沉积，急速加压，电子束)
痘
否
捂
匝
秃
长期时效(常规合金制备方法)
嫌
准晶的尺寸小，介稳定状态，性质测量困难，不系统，不统一
广
售
贤
准晶的物理性质： 颐
力学性能：
1.
室温下硬而脆，大块准晶性能接近陶瓷
虾
晶体的短程有序特征，能使衍射花样具有
颧
讫
同结构一样的旋转点群对称性
沾
待
胀
瓜
皂
非晶态中没有这样的结构特点，所以只会产生弥散的衍射花样
建
陇
沼
晶体受到特有的有限的平移不变性和有
幻
营
限的转动不变性的制约，不允许有五次
浮
糙
对称轴
准晶态（quasi crystal，即 QC）
靛
饶
准晶态的结构特征 勇 (1) 准周期平移序 屋
1974年，Penrose提出用两种四边形，
潞
巷
氢
夹角分别为：
72o、72o、144o、72o
夕
详
36o、72o、36o、216o
等
纬
可以将平面铺满，不留空隙 行
这种图形具有5次对称性
将
眠
彭罗斯铺砌的四边形是将一个菱形切开而得到的：
铁
叉
风筝
飞镖
长程取向有序 玛
所得图形到处呈现5次对称性，但没有平移周期性

同色顶点相接
格点旳 排列无 周期性， 但到处 具有5次 对称性
准晶构造类型
a.一维准晶 在一种取向是准周期性而其他两个取向
是周期性，存在于二十面体或十面体与结晶 相之间发生相互转变旳中间状态。
b.二维准晶 由准周期有序旳原子层周期地堆垛而构成，
是将准晶态和晶态旳构造特征结合在一起。 存在8、10 和 12 次对称
1.准晶态旳构造
准晶是准周期晶体旳简称，它是一种无平 移周期性但有位置序旳晶体。
有无方法能够铺砌成具有五重对称性旳 无空隙地面？
面积之比为 1.618：1
具有5次 对称轴
1974年penrose提出利用两种夹角分别为72、 72、144、72 和 36、72、36、216度旳四边 形能够将平面铺满.相当于将一种菱形切开成上 述两个四边形。这种图形具有5次对称性。
旳固体材料。
(1)各向同性；
（2）介稳性 有析晶（晶化）旳倾向； （3）熔融态向玻璃态转化旳过程是可逆旳与 渐变旳；
（4）无固定旳熔点；
(5)熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质 随温度变化旳连续性。
2、玻璃旳形成条件
A：玻璃形成旳动力学条件
硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体或一定成 份旳合金只有冷凝速度不小于一定旳临界速度 才干转变为玻璃。
金属键物质，在熔融时失去联络较弱旳电子， 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），原子相遇构成晶格 旳几率最大，最不易形成玻璃。
纯粹共价键化合物多为分子构造。在分子内 部，由共价键连接，分子间是无方向性旳范德华 力。一般在冷却过程中质点易进入点阵而构成份 子晶格。
所以以上三种键型都不易形成玻璃。
c.二十面体准晶

有助于提高使用寿命, 完全符合厨房炊具的标准。
有密度小、耐蚀和耐氧化的优点,
在航空和汽车工
、
与基底结合性好等优点。
准晶的导热性较差，但由于层厚较薄,
业的发动机等部件中,
有潜在应用价值。
不会影响到
不粘锅的使用。
(2)准晶作为构造材料增强相的应用
(b)准晶纳米颗粒增强Al基合金
(a)准晶相作为时效强化相
(4)固态反响法 将叠压在一起的多层纯组元薄膜在
一定温度下加热进展互扩散, 也可以获得准晶。
(5)真空气相沉积法 将两个纯组元加热到工作温度,
影响准晶形成的因素
(1)合金的成分 对于能形成准晶的合金系统, 准晶只
能在一定的成分范围内形成。
(2)电子构造 已经发现在Al-Mn 二元系中, 不易形成
Mn-Mn 近邻原子对, Al42Mn12二十而体有很高的稳
类合金(M-VIII组元素)
二十面体相:二元系
二十面体相:
二十面体相:Mg
二元系
NiTi
Al-Mn
Al-Pd
Al-Cr
4CuAl
6 Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr
2 FeTi
2
八边形相:三元系
三元系Cr-Ni-Si
Al-Mn-Si Al-Mn-Fe Pd59V20.5Si20.5
包括Melt-Spining法, 电子束外表扫描法和雾化制粉
法。
(2)退火法 利用某些非晶态合金加热时的转变或某
些合金经固溶淬火处理后进展人工时效时的析出能
获得准晶相。如Al-Cu-Li准晶
(3)高能粒子束辐照法 将多层纯组元薄膜叠压在一
起, 用高能电子束或离子束进展辐照可以获得准晶。

多为无色透明，折 射率较高
山东大学材料科学基础
共价键结合，有方 向性和饱和性，键 能约80kJ/mol
Si,InSb, PbTe
金属键结合， 无方向性，配 位数高，键能 约80kJ/mol
Fe,Cu,W
范得华力结合 ，键能低， 约 8-40 kJ /mol
Ar,H2,CO2
熔点高
强度和硬度由中到 高，质地脆
闪锌矿〔立方ZnS〕结构 S
Zn
属于闪锌矿结构的晶体有β-SiC，GaAs，AlP，InSb
山东大学材料科学基础
•
•
•
•
萤石〔CaF2〕型结构
立方晶系Fm3m空间群，
a0=0.545nm， Z=4。 AB2型化合物， rc/ra>0.732〔0.975〕 配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。
山东大学材料科学基础
钙钛矿〔CaTiO3〕结构
Ti
ABO3型
立方晶系：以
•
一个Ca2+和3个
O2-作面心立方
Ca
密堆积，
Ti4+占1/4八面体C空aT隙iO3。晶胞 配位多面体连接与Ca2+配位数
Ti4+配位数6，rc/ra=0.436(0.414-0.732)
Ca2+配位数12，rc/ra=0.96
O2-配位数6；
取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物，其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子，该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位，其最近邻仅是氧 离子。

准晶的介绍
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。

第三十三页，共54页。
3.点阵常数与原子半径
RR
R 2R R
a0
a0 2R
a0
a0
2 2R 3
R 2R
R
a0
a0
2 2R 2
SC 第三十四页，共54页。
BCC
FCC
*HCP点阵常数与原子半径
a0 2R
c0 2
2a 4 3
2R 3
C0/2
C0
第三十五页，共54页。
2R
2R
C0/2
HCP
4.一个晶胞中占有的原子数
Simple cubic
第三十六页，共54页。
18 1 8
Body-centered cubic
Face-centered cubic
1 81 2 8
第三十七页，共54页。
18 1 6 4
8
2
HCP
2 1 12 1 3 6
2
6
第三十八页，共54页。
5. 堆积系数
rin 2 3 1 0.155
Rbcc
3
晶体结构中的空隙位(3): hcp
Octahedral sites: 6
×
×
第三十二页，共54页。
晶体结构中的空隙位(3): hcp
Tetrahedral sites
×
×
7c 8
1c
××
8
2 6 2 1 2 3 12 3
5c 8
3c 8
棱和中心线的1/4和3/4处
第五规则
在晶体中，本质上不同组成的结构单元的数目，趋向了 最少.简单立方结构sc (ABCABC…)
第十四页，共54页。
图2-44 四面体的共顶、共面和共棱联结 (中心

Hcp的堆垛方式为AB,AB,…… 密排面（0001）垂直于C轴。 Fcc的堆垛方式为ABC,ABC,…… 密排面{111}垂直于体对角线。
总结
绪论 ——大家自己看 晶体学基础： 一、空间点阵 阵点： 理想晶体、几何点、周围环境相同 空间点阵：阵点规则、周期、有规律的排列，三维空间 晶胞：具有代表性的 、最小单元、先满足对称性、六个点阵常数（晶格常数） 晶系和空间点阵类型：7各晶系 14个空间点阵 晶体结构和空间点阵的区别 二、晶面指数和晶向指数的标定 步骤： 晶面族和晶向族：位向不同、原子排列相同、晶体学上性质等价 晶带：平行或相交晶带轴晶面的全体 三、常见晶体结构 配位数： 12 8 12 个数 ： 4 2 6 堆垛密度：0.74 0.68 0.74 间隙：见表1-3 堆垛方式：FCC ABCABCA………………….
（2）FCC、HCP的八面体间隙大于四面体间隙，因此这些金属中的间 隙原子主要位于八面体间隙中。
（3）BCC中，四面体间隙大于八面体间隙，间隙原子主要占据四面体 间隙中。八面体间隙是不对称的，主要引起据间隙原子为a/2的两个 原子显著的偏离原始位置，其余不发生明显的改变，整个点阵畸变不 大。
（4）FCC、HCP的八面体间隙远大于BCC的八面体间隙和四面体间隙， 所以间隙原子在FCC和HCP中的固溶度比在BCC大得多。
A C B A
C B A
三、常见晶体结构及其几何ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ征
4 常见晶体的堆垛方式
4.2 HCP结构 （0001）面为密排面
第二层放在“下箭头” 的位置，（也可以放在“上箭头”的位置） 第三层的位置与第一层重合。
三、常见晶体结构及其几何特征
4 常见晶体的堆垛方式 4.3 FCC和HCP的比较 （1）只看一层原子时，密排面是一样的 （2）看相邻的两层原子时，堆垛是一样的 （3）看相邻的三层原子时，堆垛是不同的

向列相液晶的特例 分子分层排列，分子躺在层内，层与层平行 在每一层内，分子类似向列相，趋向平行排列 沿层的法线方向看，液晶基元的指向矢
连续转动形成螺旋 各层分子按周期性扭转
光学性质：圆偏振光的选择型反射 高旋光性
第24页/共36页
组成液晶的有机分子大都是棒状分子 摩尔质量：200~500 g/mol 长 度：几十个埃 长宽比：4～8
熔化f
分子有序：平动有序、转动有序、构象有序 构象无序晶体：保留了大部分位置有序
和取向有序，只是构象无序
小分子——环状烷(CH2)24 高分子——聚乙烯、聚四氟乙烯
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塑 晶：位置有序，取向无序
大多数塑晶由球状分子组成，转动势能 << 点阵能 在受外应力作用时，有相当的柔软性，容易发生“塑性变形” 塑晶由一些形状十分类似的球形分子组成，N2, CO, 环乙醇等 液 晶：液晶材料熔化时，取向分子序被保留，有序的流体 小分子液晶：液晶的分子一般为棒状或盘状 高分子液晶：常具有棒状或盘状单元的 介晶基团，显示出较大的链刚性，通常 具有刚性链和半刚性链的特性
准晶态的结构：
长程取向有序，而长程周期性不存在；
取向有序具有晶体周期性点群所不允许的点群对称性，沿 取向序对称轴的方向具有准周期性，即原子的排布间距是 两个或两个以上不可公约的特征长度，并按特定序列排布
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准晶态的种类
按准晶的成分来分：二元、三元、四元等多元合金
郭可信
张泽
Ti-Ni
Al-Fe-Cu
远远大于水晶 20o/mm 旋光性呈现鲜明的旋光色散，并在一个转化波长 0 范围内改变 符号，可以观察到圆偏振光的选择性反射
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(2) 磁学和电学性质 液晶的抗磁磁化率具有明显的各向异性 向列相液晶在2000 Oe 以上磁场中，主方向会平行于磁场 胆甾相液晶在磁场中改变扭曲结构，发生旋光性与颜色的变化

揭示了玻璃的微不均匀性，描述了玻璃结构近程有 序的特点。晶子尺寸太小，无法用x－射线检测，晶子 的含量、组成也无法得知。
（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。

2-3 准晶、非晶和液晶
2-3 准晶、非晶和液晶
物质的其它聚集形态
准晶体、非晶体、液晶、等离子体、玻色-爱 因斯坦凝聚等
2018/10/24
2
晶体：周期性、对称性
？
1.准晶体
1984年中国、美国、法国和以色列（schechman，1982）等国 家的学者几乎同时在淬冷合金中发现了存在有5次对称轴，确证这 些合金相是具有长程定向有序，而没有周期平移有序的一种封闭 的正20面体相，并称之为准晶体。
(2) 按结构分类：
① 近晶相液晶(smectic) 位置有序，取向有序 形式：棒状分子的有序排列 引起的层状结构——层型液晶
② 向列相液晶(nematic) 杆状分子广泛的平行排列，沿纵向容易移动
分子取向有序，位置无序
S (3cos 1)
1 2 2
序参数
偏光显微镜照片 (线形缺陷)
③ 胆甾相液晶(cholesteric)
(1) 电光效应的应用
在液晶盒上加电压后，电场使液晶分子轴 旋转，最后与弹性力达到平衡
TN: Twisted Nematic，扭曲向列
扭曲向列型(TN)液晶
液晶光开关工作原理示意图
入射的自然 光 偏振片P1
扭曲排列 的液晶分 子具有光 波导效应
光波导已 被电场拉 伸
偏振片P2
出 射 光
(2) 热敏效应的应用
2.1 非晶态合金的结构特征
非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。 晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由于周期 性，固体中所有原子的排布都知道了。而非晶态合金结构 特点为短程有序、长程无序，即某一个第一近邻、第二近
邻原子是有固定排列的，而更远的原子是无序的。从X射线

晶体结构- 简介晶体结构晶体结构即晶体的微观结构。

自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类，固态的金属与合金大都是晶体。

晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。

金属及合金在大多数情况下都以结晶状态使用。

晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。

点阵及其周期性晶体是各向异性的均匀物体。

生长良好的晶体,外观上往往呈现某种对称性（图1）。

从微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期重复排列（图2）。

即以晶体中的原子或其集合为基点,在空间中三个不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。

如从重复出现的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分，图3a为其示意图。

确切地说，点阵是一组按连接其中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。

晶体结构晶体结构晶体结构空间点阵是认识晶体结构基本特征的关键之一，用它可以方便而又清楚地说明晶体的微观结构在宏观中所表现出的面角守恒、有理指数等定律以及X射线衍射的几何关系。

各点分布在同一直线上的点阵称为直线点阵，分布在同一平面中者称为平面点阵，而分布在三维空间中者称为空间点阵。

如图3a所示，空间点阵可以分解为各组平行的直线点阵或平面点阵，并可划分成并置的平行六面体单位。

规定这个单位的矢量为a、b和c，如图3b所示。

空间点阵划分成一个个并置的平行六面体单位后，若点阵中各点都位于各平行六面体的顶点处，则此单位只摊到一个点，称为素单位。

平行六面体单位也可在面上或体内带心，摊到一个以上的点，成为复单位。

按照空间点阵的平行六面体单位,可划分成晶体结构的单位,这样的单位称为晶胞。

晶体的一些宏观规律性反映了它微观结构中具有长程序的空间点阵形式。

晶体之所以不同于一般具有短程序的非晶态固体和液体而成为各向异性体，与此有关。

晶体外形为晶面构成的多面体，而晶面必与空间点阵中一组平面点阵平行，晶棱则与某一直线点阵组平行。