准晶材料

准晶体的性能及其应用潘正根0943011041四川大学材料科学与工程学院摘要：1984年底, 美国国家标准局的Shechtman 等人报导了他们在急冷Al-Mn 合金中观测到五次对称电子衍射图的相, 它不具有传统晶体学的对称性，称这种具有5次对称而无周期平移序的物质为准周期性晶体（准晶）。

准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差，因此在日常生活中大有用武之地。

科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅和发光二极管等。

1准晶的性能1.1物理性能1.1.1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。

1.1.2导电性与金属的导电性质相比，准晶显示出一种迥然不同的性质。

准晶一般有比较大的电阻；如在温度为4K 时二十面体准晶Al -Cu-Fe的电阻率ρ（4K）=4.3m Ω cm， I-Al-Cu-Ru 的电阻率ρ（4K）=30m Ω m。

当温度不太高时，准晶的电阻随温度的增加而减少，在AlCuCo 二维准晶中, 沿10次轴这个周期方向, 电阻随温度升高而增大（圆圈）, 与金属中的情况一致；而在与此正交的准周期方向, 电阻随温度升高而减小（圆点）, 与半导体相似。

这种反常的各向异性可能对制造电子器件有用。

美国贝尔实验室也在进行类似的研究。

准晶的电阻与其组分浓度有关。

实验发现，准晶的导电性能随样品质量的改善反而降低。

准晶异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响，它可以从准周期系统中电子结构的异常性中得到解释。

1.1.3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ZrO2 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,即准晶结构越完整其导热性越差。

准晶材料的发展历程及其研究现状摘要：本文介绍了准晶的定义、分类，并阐述了准晶材料的发展历程。

简要概括了准晶材料的国内外研究现状。

最后，概括《热处理对含有十二面体准晶相的Ti1.4V0.6Ni合金电极的电化学性质的影响》大意。

关键词：准晶材料；定义；发展历程1 准晶材料的定义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、10次和12次旋转对称的合金相，这些合金的电子衍射花样特征表现出不同于晶体的5次对称和高于6次、8次、10次、12次对称，这些差异表明准晶代表了一种新的固态结构。

但5次及6次以上对称在传统晶体中是不允许存在的，因为不能仅仅用这样的几何单元来堆垛成无空隙的空间。

所以这些合金相既不能称为晶体(没有周期平移对称性)，又不能称为非晶体(具有长程有序)。

人们把这种违反传统晶体学理论的合金相命名为准周期晶体(Quasi-periodic Crystal)，简称准晶(Quasicrystal)。

由此可以得到准晶的定义为：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。

2 准晶材料的发展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的5次旋转对称性。

DShechtman在美国《物理评论快报》上发表的“具有长程取向序而无平移对称序的金属相”一文中首次报道了发现一种具有包括5次旋转对称轴在内的二十面体点群对称合金相，并称之为二十面体相(Icosahedral phase)。

准晶材料的制备整理：滕飞 2011-11-021以色列科学家丹尼尔-舍特曼 （Daniel Shechtman）因发现 准晶体而获得2011年诺贝尔 化学奖。

2准晶的概念准晶材料是介于周期结构与无序结构之间的一类 新发现的凝聚态，具有传统的晶体材料所不具备 的对称性，由于其结构的特殊性，例如它具有五 次和十次等特殊的对称性。

因此它具有许多优良 的机械性能、物理化学性能和光电磁性能。

准晶分类 ¾从热力学角度 热力学亚稳态准晶：在某个温度区间退火会变为晶体类似相 稳态准晶：热力学上是稳定的¾按结构可分为 一维准晶 二维准晶：八次、十次和十二次准晶 三维准晶：主要是二十面体3¾一维准晶：是由二维十面体准晶中的一个二次准周期轴（与十次轴正 交）变为二次周期轴而生成的，即一维准晶具有两个正交的周期方向 和一个与它们正交的准周期方向。

二维准晶：在一个平面上的两个方向上显示准周期性，而在其法线方 向呈现周期性。

二维准周期平面的特征可以用这个具有周期性的旋转 轴来表示，从而分为不同形态的二维准晶。

三维准晶：主要是二十面体，它指的是在空间中任何三个正交方向上 都呈现准周期性，而无任何周期性方向。

¾¾4准晶体的类型现在已在100多种金属合金体系中发现了准晶相，如已有报 导的准晶合金有基于Al、Cu、Mg、Ni、Ti、Zn、Zr等的 合金。

5影响准晶生长的因素™准晶形成过程大致可有4种基本情况：气体→准晶体、溶体(熔体)→准 晶体、晶体→准晶体、非晶→准晶体。

™™ ™ ™ ™影响准晶生长的因素合金成分，准晶只能在一定范围内形成； 合金成分 原子尺寸，主要元素的原子半径大小相近，以较小的原子为中心； 原子尺寸 电子结构，组元的电子结构与准晶的形成能力有内在联系； 电子结构 冷却速度，影响较大，冷却速度较大有利于准晶的形成，冷却速度过 冷却速度 高会导致过饱和固熔体先于准晶形成甚至出现非晶，因此冷去速度应 控制在一个适应的范围； 温度和压力，改变结构的束缚状态和结构熵， A1-Cu-Fe系合金，压力 温度和压力 增加有助于晶体等向准晶转变，增加压力可使冷却速度降低而保持效 果不变。

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。

2.4.3 准晶态材料• 准晶体(quasicrystal) • ---准周期晶体(quasiperiodic crystal)的简称准晶体是1984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。

一种 介于晶体和非晶体之间的固体。

准晶体具有完全有序的结构， 然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体 所不允许的宏观对称性。

例如五次对称轴等。

5重旋转轴准晶体的发现，破除了几百年来关于晶体必须 具有周期性，因而不可能存在五重旋转对称的信条， 对于晶体学工作者解放思想，重新审视自己的观察 结果，推动晶体学向更深入、更精确的方向发展， 起了重要作用。

晶体学研究有300多年历史 经典晶体学1912年X射线晶体衍射 现代晶体学 1984年准晶的发现，新对称理论（2）冰的结构 常见结构型式：冰-Ih （冰、雪、霜）常压，0°C，六方晶系，空间群D64h−P63 mmc∠OOO非常接近109.5° O—H…O 和 O…H—O 两种方式的无序情况冰-Ic 真空，133-153KO位于金刚石 中C的位置H无序分布新华社伦敦３月９日（2009年）电 英国《自然·材料》发现冰在纳米尺度上的平面结构为五边形，而非通常的六边形。

来自英国伦敦纳米研究中心和德国弗里茨·哈贝尔研究所等机构的研究人员说，他们在光滑的铜表面对冰用扫描隧道显 微镜进行观测，并进行了大量计算，最终确定冰在纳米尺度上 有五边形的平面结构。

论文第一作者哈维尔·卡拉斯科说，了解冰的纳米结构尤 其冰黏附在固体表面时的纳米结构具有重要意义，因为这可以 帮助研究人员了解冰晶如何形成，而之所以要了解冰晶的结构， 是因为它在人工造云、降雨中发挥重要作用。

研究人员指出，这项发现带来的启发是，人们在寻找用于 人工造云、降雨的新冰核物质时，并非一定要集中在六边形外 观的材料上，五边形等其他结构外观的材料也可能同样适用。

High resolution X-ray emission spectroscopy of liquid water: The observation of two structural motifsT. Tokushima, Y. Harada, O. Takahashi, Y. Senba, H. Ohashi, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, S. ShinChemical Physics Letters Volume 460, Issues 4-6, 30 July 2008, Pages 387-400从美国斯坦福直线加速器中心 （SLAC）、日本SPring—8同步 加速器和广岛大学以及瑞典斯德 哥尔摩大学收集的新实验证据表 明，现有液态水结构理论是错误 的。