第六章 非晶态与准晶材料概述
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结构特点性能应用制备法准晶概念随着材料技术的发展,出现了一类结构不符合晶体的对称条件,但呈一定的周期性有序排列新的原子聚集状态的固体,这种状态被称为准晶态,此固体称为准晶。
结构既不同于晶体,也不同于非晶态,原子分布不具有平移对称性,但仍有一定的规则,且呈长程的取向性有序分布,可认为是一种准周期性排列。
一位准晶:原子有二维是周期分布的,一维是准晶周期分布。
一维准晶模型————菲博纳奇(fibonacci)序列其序列以L→L+S S →L(L,S分别代表长短两段线段)的规律增长,若以L为起始项,则会发现学列中L可以成双或成单出现,而S只能成单出现,序列的任意项均为前两项之和,相邻的比值逐渐逼近i,当n →∞时,i=(1+√5)/2二维准晶:一种典型的准晶结构是三维空间的彭罗斯拼图(Penrose)。
二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成,能够无缝隙无交叠地排满二维平面。
这种拼图没有平移对称性,但是具有长程的有序结构,并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。
三维准晶:原子在三维上的都是准周期分布包括二十面体准晶,立方准晶。
性能准晶室温下表现为硬而脆,韧性较低,准晶材料密度低于其晶态时的密度,比热容比晶态大。
准晶大多由金属元素构成,由金属元素形成的晶体,他们的导电性是人所共知的,金属晶体这些导电性质相比,准晶体一般具有较大的电阻,当温度不太高是,准晶的电阻随温度的增加而减少,实验发现,准晶的导电性随样品质量的改善而降低。
其电阻率甚高,电阻温度系数甚小,电阻随温度的变化规律也各不相同。
应用准晶材料的性能特点是较高的硬度,低摩擦系数,不粘性,耐腐,耐热和耐磨等,但是准经材料的本质脆性大大限制了其应用,目前准经材料的应用主要作为表面改性材料或者作为增强相弥散分布与结构材料中,准经材料在表面改性材料中的应用将准晶材料以涂层,耐热,耐磨,低的摩察系数,耐腐,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。
非晶合金与准晶非晶合金与准晶1.非晶态合金的发现长期以来,提到合金指的就是晶态合金。
提到非晶态,指的是玻璃态的硅酸盐。
上个世纪六十年代,非晶态合金的出现,改变了这种情况。
60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术,用快速冷却的方法,使液态合金的无序结构冻结起来,形成非晶态合金Au3Si,对传统的金属结构理论是一个不小的冲击,由于非晶态合金具有许多优良性能:高强度、良好的软磁性、耐腐蚀性等,很快成为重要的功能材料,获得很快发展。
2.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射线衍射强度图可以看出,晶态有明确、锐利的衍射峰,而非晶态只有较圆滑的峰,后面是一些不可分辨的曲线,即非晶态合金不能从X射线衍射中获得太多的信息,目前用径向分布函数来表征非晶态合金结构。
晶态材料与非晶态材料数值密度函数随距离变化的示意图2.非晶态合金的结构特征非晶态固体与晶态固体相比,结构上的最本质的差别是不存在长程有序性。
组成晶体的粒子在宏观尺度上规则排列的周期性,就称为长程有序性。
在非晶态固体中,原子位置的空间分布并不是无规则的,而是存在一种局域关联性,因此,在非晶态固体中存在着极为明显的短程有序性。
所谓短程有序性,就是在原子周围小区域内原子排列的规则性,一般是用在任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数) 来表示。
①非晶合金具有比普通金属更高的强度。
②非晶态合金因其结构呈长程无序,故在物理性能上与晶态合金不同,显示出异常情况。
③非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀能力。
非晶态合金是均匀的多元固溶体,不存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷,有利于抗化学腐蚀。
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。
准晶纳米晶非晶和液晶结构首先是准晶结构,准晶是指具有部分有序和部分无序排列的结构。
与晶体相比,准晶的原子排列稍微有一些规则性,但并不具备完全规则的晶体结构。
准晶具有特定的旋转对称性,常见的准晶有五重轴对称结构、十重轴对称结构等。
准晶具有比纯随机无序结构更多的规则性,具备一些晶体的性质,如有一些可预测的物理性质。
其次是纳米晶结构,纳米晶是指晶体的晶粒尺寸在纳米级别范围内的材料。
晶体的晶粒尺寸在纳米级别时,由于晶界面面积相对较大,可以导致材料的物理、化学性质发生显著变化。
与传统晶体相比,纳米晶材料具有更高的韧性、更优异的力学性能和更高的强度。
纳米晶结构的材料还具有较高的表面能,有助于提高催化活性和电化学性能。
第三是非晶结构,非晶是指材料缺乏长程有序结构,具有完全无序的原子或分子排列。
非晶结构没有明确的晶格,无法通过传统的晶体学方法来描述。
非晶材料在玻璃、金属合金和一些塑料中广泛存在。
非晶材料具有高硬度、高抗磨损性、良好的抗腐蚀性能和优异的电学性能。
非晶结构的材料还具有较好的弹性形变能力和高温稳定性。
最后是液晶结构,液晶是介于固体和液体之间的新型物质状态。
液晶材料在较低的温度下表现出有序排列的液体行为,同时又具备晶体的一些性质。
液晶的分子在空间中呈现出有序排列的特点,可以形成不同的液晶相,如向列型液晶、扭曲向列型液晶等。
液晶材料具有响应外界电场和温度的特性,在显示技术和光电器件等领域有广泛应用。
总之,准晶、纳米晶、非晶和液晶结构是材料科学中常见的四种晶体结构。
每种结构具有独特的原子或分子排列方式和特性,对材料的性质和应用有着重要的影响。
通过研究和利用这些不同的结构,可以设计和制造出具有特定性能和功能的材料。
晶体非晶准晶在结构上的异同
晶体、非晶体和准晶体是固体材料中常见的三种结构形态。
它们在
结构上有着明显的异同,下面将分别进行介绍。
一、晶体
晶体是由原子、离子或分子按照一定的规律排列而成的固体材料。
晶
体的结构具有高度的有序性和周期性,其内部原子排列呈现出一定的
对称性。
晶体的结构可以用晶格和基元来描述,晶格是指晶体中原子、离子或分子排列的空间周期性结构,基元是指晶格中最小的重复单元。
晶体的结构可以通过X射线衍射等方法进行表征。
二、非晶体
非晶体是由原子、离子或分子无规则排列而成的固体材料。
非晶体的
结构缺乏周期性,其内部原子排列呈现出无序性。
非晶体的结构可以
用连续分布函数来描述,连续分布函数是指非晶体中原子、离子或分
子的位置分布函数。
非晶体的结构可以通过透射电镜等方法进行表征。
三、准晶体
准晶体是介于晶体和非晶体之间的一种结构形态。
准晶体的结构具有
一定的周期性,但是其周期性不如晶体那么完美,同时也存在着一定
的无序性。
准晶体的结构可以用准晶体晶格和准晶体基元来描述,准
晶体晶格是指准晶体中原子、离子或分子排列的空间周期性结构,准
晶体基元是指准晶体中最小的重复单元。
准晶体的结构可以通过透射
电镜等方法进行表征。
总的来说,晶体、非晶体和准晶体在结构上有着明显的异同。
晶体具
有高度的有序性和周期性,非晶体缺乏周期性,准晶体介于两者之间。
三者的结构可以用不同的方法进行表征,这些方法也反映了它们的结
构特点。
晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别要理解这几个概念,首先要理解晶体概念,以及晶粒概念。
我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚!自然界中物质的存在状态有三种:气态、液态、固态固体又可分为两种存在形式:晶体和非晶体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体;晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。
晶体共同特点:均匀性:晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
各向异性:晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点:晶体具有周期性结构,熔化时,各部分需要同样的温度。
规则外形:理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对称性:晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
对晶体的研究,固体物理学家从成健角度分为:离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体显微学则从空间几何上来分,有七大晶系,十四种布拉菲点阵,230种空间群,用拓扑学,群论知识去研究理解。
可参考《晶体学中的对称群》一书(郭可信,王仁卉著)。
与晶体对应的,原子或分子无规则排列,无周期性无对称性的固体叫非晶,如玻璃,非晶碳。
一般,无定型就是非晶英语叫amorphous,也有人叫glass(玻璃态).晶粒是另外一个概念,搞材料的人对这个最熟了。
首先提出这个概念的是凝固理论。
从液态转变为固态的过程首先要成核,然后生长,这个过程叫晶粒的成核长大。
晶粒内分子、原子都是有规则地排列的,所以一个晶粒就是单晶。
多个晶粒,每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。
英文晶粒用Grain表示,注意与Particle是有区别的。
有了晶粒,那么晶粒大小(晶粒度),均匀程度,各个晶粒的取向关系都是很重要的组织(组织简单说就是指固体微观形貌特征)参数。
对于大多数的金属材料,晶粒越细,材料性能(力学性能)越好,好比面团,颗粒粗的面团肯定不好成型,容易断裂。
所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。