準(zhǔn)晶的介紹準(zhǔn)晶的介紹準(zhǔn)晶的對稱性準(zhǔn)晶的對稱性電子衍射圖樣電子衍射圖樣準(zhǔn)晶的定義

準(zhǔn)晶體是準(zhǔn)周期晶體的簡稱。它是一種具有多重旋轉(zhuǎn)對稱軸、不同于傳統(tǒng)晶體和非晶玻璃體的固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)晶具有準(zhǔn)周期，其中的原子呈定向有序排列，但不作周期性平移重復(fù)，其對稱要素包含與晶體空間格子不相容的對稱。從目前掌握的實(shí)驗(yàn)資料看,在熱力學(xué)上準(zhǔn)晶相有向晶體相轉(zhuǎn)變的趨勢,說明準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)是非平衡的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)。目前的研究證實(shí)，在實(shí)二次域上只可能存在5、8、10、12次旋轉(zhuǎn)對稱的準(zhǔn)格點(diǎn)陣(陸洪文、費(fèi)奔)。

I-相：二十面體相，它的點(diǎn)群符號，不屬于三十二種晶體點(diǎn)群中的任何一類。準(zhǔn)晶的定義準(zhǔn)晶體是準(zhǔn)周期晶體的簡稱。它是一準(zhǔn)晶的分類第一類Al-過渡族金屬二十面體相:二元系A(chǔ)l-MnAl-PdAl-Cr

三元系A(chǔ)l-Mn-SiAl-Mn-FePd59V20.5Si20.5

四元系A(chǔ)l-Mn-Sn-Fe十邊形相:二元系A(chǔ)l-MnAl-PdAl-Ni

三元系A(chǔ)l-Mn-FeAl-Mn-Zn

一維準(zhǔn)晶:三元系A(chǔ)l80Ni14Si6Al65Cu20Co15第三類Frank-Kasper拓?fù)湎嘞刀骟w相:Mg4CuAl6Al-2.5Li-1.2Cu-0.9Mg-0.1Zr第二類MTi類合金(M-VIII組元素)二十面體相:二元系NiTi2FeTi2八邊形相:三元系Cr-Ni-Si十二邊形相:二元系NiCrV3Ni2

三元系V15Ni10Si準(zhǔn)晶的分類第一類Al-過渡族金屬第三類Frank-Kaspe準(zhǔn)晶的制備方法(1)快速凝固法目前用得最多的制備準(zhǔn)晶的方法，包括Melt-Spining法,電子束表面掃描法和霧化制粉法。(2)退火法利用某些非晶態(tài)合金加熱時的轉(zhuǎn)變或某些合金經(jīng)固溶淬火處理后進(jìn)行人工時效時的析出能獲得準(zhǔn)晶相。如Al-Cu-Li準(zhǔn)晶(3)高能粒子束輻照法將多層純組元薄膜疊壓在一起,用高能電子束或離子束進(jìn)行輻照可以獲得準(zhǔn)晶。Al-Mn準(zhǔn)晶(4)固態(tài)反應(yīng)法將疊壓在一起的多層純組元薄膜在一定溫度下加熱進(jìn)行互擴(kuò)散,也可以獲得準(zhǔn)晶。(5)真空氣相沉積法將兩個純組元加熱到工作溫度,使之蒸發(fā)、沉積；采用一種特殊的分隔裝置,使兩組元的沉積交替進(jìn)行而不互相干擾。Al-Fe、Al-Cr準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶的制備方法(1)快速凝固法目前用得最多的制備準(zhǔn)晶的影響準(zhǔn)晶形成的因素(1)合金的成分對于能形成準(zhǔn)晶的合金系統(tǒng),準(zhǔn)晶只能在一定的成分范圍內(nèi)形成。(2)電子結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在Al-Mn二元系中,不易形成Mn-Mn近鄰原子對,Al42Mn12二十而體有很高的穩(wěn)定性；第三組元Si的加入改善了形成準(zhǔn)晶的能力，這些現(xiàn)象表明組元的電子結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)晶的形成能力有內(nèi)在的聯(lián)系。(3)原子尺寸(4)工藝條件用快速凝固法制備準(zhǔn)晶時,冷卻速度太高,過飽和固溶體先于準(zhǔn)晶相形成,有時還容易形成非晶；冷卻速度太低則形成平衡相,不能獲得準(zhǔn)晶。影響準(zhǔn)晶形成的因素(1)合金的成分對于能形成準(zhǔn)晶的合金準(zhǔn)晶的基本性質(zhì)均一性準(zhǔn)晶具有有序結(jié)構(gòu)，其分割出來的不同部分放大或縮小都與整體結(jié)構(gòu)有相同的結(jié)構(gòu)特征。各向異性對稱性準(zhǔn)晶體的對稱性較晶體高。自限性自發(fā)地形成封閉的幾何多面體外形。最小內(nèi)能性在相同的熱力條件下，較之相同成分的氣體、液體及非晶而言，準(zhǔn)晶體內(nèi)能較小，晶體內(nèi)能最小。穩(wěn)定性對于相同化學(xué)組成，處于不同物態(tài)下的物體，晶體、準(zhǔn)晶體都不能自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌飸B(tài)。準(zhǔn)晶的基本性質(zhì)均一性準(zhǔn)晶具有有序結(jié)構(gòu)，其分割出來的不同準(zhǔn)晶體的性能——傳輸特性(1)導(dǎo)電特性(a)熱力學(xué)穩(wěn)定的準(zhǔn)晶材料的電阻率異常高。Al-Cu-Li在液氦溫度的電阻率為900微歐厘米，Al-Pd-Re為4000-28000微歐厘米(b)準(zhǔn)晶材料電阻率隨溫度升高而下降，具有負(fù)溫度系數(shù)。(c)電阻率對準(zhǔn)晶合金成分和結(jié)構(gòu)完整程度十分敏感，樣品的質(zhì)量越好，電阻率就越大。(d)對于二維的十次準(zhǔn)晶,其周期方向的電阻率比準(zhǔn)周期方向的電阻率要小75%-95%,顯示出很強(qiáng)的各向異性。(3)光傳導(dǎo)特性(a)在較低的頻率范圍內(nèi),準(zhǔn)晶的光導(dǎo)率很小,且在104cm-1時有很寬的峰值。(b)在二維的準(zhǔn)晶材料中,光導(dǎo)率對其結(jié)構(gòu)的各向異性很敏感。(2)熱傳導(dǎo)特性(a)與普通金屬材料相比,準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率都很低,在室溫下準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率要比普通的鋁合金低兩個數(shù)量級，可以與常見的隔熱材料ZrO2相媲美。(b)準(zhǔn)晶材料的熱阻值隨著溫度升高而下降,即具有負(fù)的溫度系數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容均隨著溫度升高而增大。(c)準(zhǔn)晶樣品質(zhì)量越好,結(jié)構(gòu)越完善,其導(dǎo)熱性能就越差。準(zhǔn)晶體的性能——傳輸特性(1)導(dǎo)電特性(3)光傳導(dǎo)特性(2)表面特性(1)氧化行為特性在相同條件下,準(zhǔn)晶相表面的氧化現(xiàn)象明顯低于鋁合金和相近成分的晶體相。(3)摩擦特性準(zhǔn)晶的顯微硬度比鋁合金大近一個數(shù)量級，但摩擦系數(shù)僅為鋁合金的1/3，此外，當(dāng)對準(zhǔn)晶材料進(jìn)行往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)時，其摩擦系數(shù)還會逐漸降低，且磨痕上的微裂紋會自動愈合，這顯示了準(zhǔn)晶具有一定的應(yīng)力塑性。(2)不粘特性準(zhǔn)晶材料的不粘性實(shí)質(zhì)上是熱力學(xué)中潤濕性的問題,與準(zhǔn)晶的表面能有關(guān)。準(zhǔn)晶的最外層原子沒有重構(gòu)現(xiàn)象和準(zhǔn)晶在費(fèi)米能級處的電子態(tài)密度很低（即準(zhǔn)晶在費(fèi)米能級處存在偽能隙）是造成其表面能很低的主要原因。表面特性(1)氧化行為特性在相同條件下,準(zhǔn)晶相表面的彌散強(qiáng)化特性(1)利用固態(tài)反應(yīng)使準(zhǔn)晶相以高溫強(qiáng)化相析出并彌散分布于基體中，從而達(dá)到強(qiáng)化效果。NilssonJ.O.等將低碳時效馬氏體鋼Cr12.0Ni9.0Mo4.0Ti0.9Al0.3Si0.15Cu2.0Fe(C%<0.05)500℃長時間退火336h后使準(zhǔn)晶相在鋼基體中彌散析出,時效后的鋼材在性能上表現(xiàn)為硬度持續(xù)升高、最終可高達(dá)730Hv，抗拉強(qiáng)度接近3000MPa，這種超高強(qiáng)度鋼可望用作醫(yī)療器械材料。(2)利用粉末冶金技術(shù)將準(zhǔn)晶顆粒(微米級)與金屬粉混合后在高溫下擠壓成由準(zhǔn)晶顆粒復(fù)合強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料。如Tsai等將30vol%的I-AlCuFe顆粒(<40um)與Al粉(<0.2mm)均混后在600℃下擠壓成準(zhǔn)晶/鋁基復(fù)合材料,其室溫強(qiáng)度和韌性均為7075-T6鋁合金的1.5倍，其室溫塑性則為后者的3倍。尤其是該材料在300℃中溫下的強(qiáng)度可達(dá)210MPa,比7075-T6鋁合金高出10倍。準(zhǔn)晶強(qiáng)化基體材料的方式主要有以下兩種彌散強(qiáng)化特性(1)利用固態(tài)反應(yīng)使準(zhǔn)晶相以高溫強(qiáng)化相析出并彌散儲氫特性

材料的儲氫特性主要取決于金屬與氫之問的化學(xué)反應(yīng)以及金屬中可容納氫原子的間隙位置和數(shù)量。在大多數(shù)過渡金屬中，氫趨向于四面體位置。因而,具有四面體結(jié)構(gòu)的Laves相是很好的儲氫材料。而二十面體準(zhǔn)晶恰好擁有大量的四面體配位結(jié)構(gòu),從理論上講，這類準(zhǔn)晶具備儲氫能力。Kelton等通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Ti系的二十面體準(zhǔn)晶相(I-Ti45Ni17Zr38)確實(shí)具有很強(qiáng)的儲氫能力，每個金屬原子可達(dá)到吸收兩個氫原子的水平。儲氫特性材料的儲氫特性主要取決于金屬與氫之問的高溫塑性

室溫脆性被認(rèn)為是準(zhǔn)晶材料的致命弱點(diǎn)之一。然而，準(zhǔn)晶的脆性在高溫下卻完全消失,且顯示出類似于超塑性材料的極高塑性,最高變形量可130%以上,而且沒有加工硬化現(xiàn)象。一般認(rèn)為準(zhǔn)晶材料的超塑性與其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。Shibuya等在研究多晶Al-Cu-Ru準(zhǔn)晶相在1000K時的壓應(yīng)變行為時發(fā)現(xiàn),雖然準(zhǔn)晶相的強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸降低,但塑變量和應(yīng)變率卻很大。Takeuchi等分析Al-Pd-Mn準(zhǔn)晶相的高溫塑變行為后認(rèn)為,準(zhǔn)晶相的高應(yīng)變主要由有效應(yīng)變和與溫度相關(guān)的內(nèi)應(yīng)變組成。Yokoyama等研究單晶Al-Pd-Mn準(zhǔn)晶相在1000K的塑變行為時也發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶具有很大的塑變量和應(yīng)變率,而且認(rèn)為該塑變是沿著準(zhǔn)晶的五次軸方向進(jìn)行的。

無論從理論上還是在實(shí)驗(yàn)中,在二十面體準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)中都證實(shí)有位錯的存在,在Al-Cu-Fe，Al-Li-Cu二十面體準(zhǔn)晶相中位錯的柏氏矢量均可確定。另外,對十次準(zhǔn)晶中的位錯也已進(jìn)行了深入研究,這類準(zhǔn)晶的位錯的柏氏矢量平行于周期方向,而且這些位錯的本質(zhì)與晶體中的位錯基本一致。高溫塑性室溫脆性被認(rèn)為是準(zhǔn)晶材料的致命弱點(diǎn)之一準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用(a)炊具表面材料該應(yīng)用主要采用Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶材料,加Cr元素以提高耐蝕性,采用熱噴涂或等離子噴涂將準(zhǔn)晶粉末沉積在基體表面。不粘性與準(zhǔn)晶材料的低表面能和準(zhǔn)晶材料中一定的孔隙相關(guān),準(zhǔn)晶中的孔隙使油浸入形成油膜以提高不粘性。與聚四氟乙烯材料相比,準(zhǔn)晶材料的耐磨損、高硬度等有助于提高使用壽命,完全符合廚房炊具的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱性較差，但由于層厚較薄,不會影響到不粘鍋的使用。(1)準(zhǔn)晶材料在表面改性材料中的應(yīng)用(c)太陽能工業(yè)薄膜材料德國科研人員以Cu為基底,將厚度約10nm的Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶薄膜置于兩層絕緣薄膜之間,構(gòu)成多層結(jié)構(gòu),其具有太陽能工業(yè)要求的選擇吸收性質(zhì)。該多層結(jié)構(gòu)不僅可以滿足光學(xué)性能的要求,在395℃其選擇吸收波長范圍為400-1700nm,可以與市場上已應(yīng)用的Ti-N-O薄膜相比；同時還具有抗高溫氧化、抗腐蝕(SO2)、與基底結(jié)合性好等優(yōu)點(diǎn)。(b)隔熱材料西班牙INTA(國家航空技術(shù)研究所)的科研人員發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)晶合金Al71Co13Cr8Fe8在1000℃都保持穩(wěn)定,采用低壓等離子濺射技術(shù)(LPPS)將其涂覆于航空Ni基合金的表面,涂層的孔隙度低于1%,熱導(dǎo)率與常規(guī)的Zr2O3熱障涂層在一個數(shù)量級。與傳統(tǒng)隔熱材料相比,準(zhǔn)晶材料具有密度小、耐蝕和耐氧化的優(yōu)點(diǎn),在航空和汽車工業(yè)的發(fā)動機(jī)等部件中,有潛在應(yīng)用價值。準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用(a)炊具表面材料該應(yīng)用主要采用Al-C(a)準(zhǔn)晶相作為時效強(qiáng)化相瑞典皇家工學(xué)院的研究人員開發(fā)的新型馬氏體時效鋼，成分為12%Cr-9%Ni-4%Mo-2%Cu-1%Ti,其中時效強(qiáng)化相為準(zhǔn)晶相。準(zhǔn)晶相的成分典型值為34%Fe-12%Cr-2%Ni-49%Mo-3%Si,在475℃時效4h形成,經(jīng)過1000h都保持穩(wěn)定,即準(zhǔn)晶顆粒是熱力學(xué)平衡析出。時效過程中豐富的形核位置與緩慢的粗化過程可以用準(zhǔn)晶的低表面能進(jìn)行解釋。該鋼經(jīng)回火處理后,其抗拉強(qiáng)度為3000MPa,準(zhǔn)晶相的形成對提高強(qiáng)度和抗回火軟化起了相當(dāng)大的作用。該型鋼主要應(yīng)用于醫(yī)療外科器械(2)準(zhǔn)晶作為結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)相的應(yīng)用(c)準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料I.準(zhǔn)晶顆拉增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料使用準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料除了可以提高基體的性能以外，由于與常規(guī)陶瓷顆粒相比準(zhǔn)晶材料的熔點(diǎn)較低,且其為金屬合金,故準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的回收也是相對容易的,屬于環(huán)境友好材料。II.準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料美國Ames國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員研究了Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的制備方法和性能變化，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的耐磨性明顯優(yōu)于基體,