第三講準(zhǔn)晶態(tài)與液晶態(tài)主要內(nèi)容掌握準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征；掌握Penrose鋪砌的具體方式；理解二十面體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及其在材料形成中的存在方式；掌握液晶的概念及其分類；了解液晶材料的特點(diǎn)與應(yīng)用。準(zhǔn)晶態(tài)準(zhǔn)晶體

——1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的

AlMn合金——電子衍射圖中具有正二十面體的五重對(duì)稱的斑點(diǎn)分布——介于晶體和非晶體之間的新的狀態(tài)—準(zhǔn)晶態(tài)當(dāng)一束電子射線或X射線照射到固體凝聚態(tài)材料上時(shí)，只有晶體才會(huì)產(chǎn)生明銳的布拉格衍射。晶體的長(zhǎng)程有序的三維有限平移不變性，保證了衍射的高度相干性晶體的短程有序特征，能使衍射花樣具有同結(jié)構(gòu)一樣的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)群對(duì)稱性非晶態(tài)中沒有這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以只會(huì)產(chǎn)生彌散的衍射花樣晶體受到特有的有限的平移不變性和有限的轉(zhuǎn)動(dòng)不變性的制約，不允許有五次對(duì)稱軸準(zhǔn)晶態(tài)（quasicrystal，即QC）準(zhǔn)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征(1)準(zhǔn)周期平移序1974年，Penrose提出用兩種四邊形，夾角分別為：72o、72o、144o、72o36o、72o、36o、216o可以將平面鋪滿，不留空隙這種圖形具有5次對(duì)稱性彭羅斯鋪砌的四邊形是將一個(gè)菱形切開而得到的：風(fēng)箏飛鏢長(zhǎng)程取向有序所得圖形到處呈現(xiàn)5次對(duì)稱性，但沒有平移周期性當(dāng)沿圖中任一軸看去，陣點(diǎn)距離都是1和并且圖中任何一個(gè)有限部分均可在整體中其他區(qū)域找到長(zhǎng)程取向有序非周期性的長(zhǎng)程有序彭羅斯圖形準(zhǔn)周期性平移Livien和Steinhardt發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)較小的原子(Mn)周圍凝聚12個(gè)較大原子(Al)，形成具有15個(gè)二次軸、10個(gè)三次軸和6個(gè)五次軸的正十二面體殼層。自由能可以達(dá)到最低，可以存在于自然界用2種不同的菱形六面體，按拼湊規(guī)則可以不留空隙的鋪滿空間空間具有局域的二十面體取向的對(duì)稱性準(zhǔn)晶：同時(shí)具有長(zhǎng)程準(zhǔn)周期性平移序和

非晶體學(xué)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的固態(tài)有序相準(zhǔn)晶態(tài)是具有兩個(gè)或更多個(gè)不可公約的長(zhǎng)度標(biāo)量的固態(tài)凝聚體準(zhǔn)晶體具有一般晶體所沒有的對(duì)稱性，通過確定不可公約長(zhǎng)度比，可以定義某種結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)程準(zhǔn)周期有序和長(zhǎng)程取向有序的特征所以衍射圖有類似布拉格衍射的斑點(diǎn)準(zhǔn)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程取向有序，而長(zhǎng)程周期性不存在；取向有序具有晶體周期性點(diǎn)群所不允許的點(diǎn)群對(duì)稱性，沿取向序?qū)ΨQ軸的方向具有準(zhǔn)周期性，即原子的排布間距是兩個(gè)或兩個(gè)以上不可公約的特征長(zhǎng)度，并按特定序列排布準(zhǔn)晶態(tài)的種類按準(zhǔn)晶的成分來(lái)分：二元、三元、四元等多元合金Ti-Ni郭可信張澤麥振洪李方華Al-Fe-Cu按準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)分：I（Al-TM）類，I代表二十面體，TM代表過渡金屬AlZnMg類按準(zhǔn)晶的維度分：三維準(zhǔn)晶：只有二十面體對(duì)稱性急冷：Al-Mn，Ti-Ni

緩冷：Al-Li-Cu，Al-Fe-Cu，Ga-Mg-Zn，Al-Co-Cu二維準(zhǔn)晶：在一個(gè)平面的兩個(gè)方向顯示準(zhǔn)周期性，而在法線方向顯示周期性八重準(zhǔn)晶(王寧)，十重準(zhǔn)晶，十二重準(zhǔn)晶，一維準(zhǔn)晶：二維十重準(zhǔn)晶中一個(gè)二重準(zhǔn)周期軸變成二重周期軸準(zhǔn)晶的制備：急冷甩帶法：錘淬法：熔融金屬，汽錘敲擊任何用于制備亞穩(wěn)定合金相的方法

(離子束混合，離子注入，氣相沉積，急速加壓，電子束)

長(zhǎng)期時(shí)效(常規(guī)合金制備方法)準(zhǔn)晶的尺寸小，介穩(wěn)定狀態(tài)，性質(zhì)測(cè)量困難，不系統(tǒng)，不統(tǒng)一力學(xué)性能：室溫下硬而脆，大塊準(zhǔn)晶性能接近陶瓷在高溫下具有類似超塑性的極高塑性高硬度、耐摩擦性能及不粘性磁性能：

Al-Pd-Mn-B電性能：①電阻率異常高，結(jié)構(gòu)越完整電阻率越高②負(fù)的溫度系數(shù)，隨溫度升高電阻率下降③電阻率對(duì)材料成分和結(jié)構(gòu)十分敏感，質(zhì)量越差，電阻率越?、軐?duì)于二維的十次準(zhǔn)晶，其周期方向的電阻率比準(zhǔn)周期方向電阻小1/4~1/20，顯示很強(qiáng)的各項(xiàng)異性準(zhǔn)晶的物理性質(zhì)：準(zhǔn)晶是一種新的物質(zhì)形態(tài)，僅在特定的金屬合金中形成關(guān)于準(zhǔn)晶的討論早期研究的準(zhǔn)晶均為急冷所得的亞穩(wěn)定相，而緩慢冷卻得到的Al-Li-Cu和Al-Fe-Cu等準(zhǔn)晶則具有穩(wěn)定相Al-Mn準(zhǔn)晶相，室溫長(zhǎng)時(shí)維持，350oC數(shù)小時(shí)，400oC幾分鐘在晶體生長(zhǎng)過程中，原始幾個(gè)殼層的原子往往會(huì)形成二十面體對(duì)稱排列的短程有序集團(tuán)——有序簇(cluster)準(zhǔn)晶態(tài)可以認(rèn)為是由許多二十面體長(zhǎng)程取向有序而無(wú)平移周期性的微晶粒構(gòu)成的互補(bǔ)亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)二十面體密堆積等徑鋼球的面心密積和六方密積的配位數(shù)均為12由略小的球在正三角二十面體的中心，12個(gè)球坐落在定點(diǎn)上才是配位數(shù)為12的最密堆積只有四面體空隙，無(wú)八面體空隙四面體非正四面體，二十面體中心只能放置較小的球所以二十面體結(jié)構(gòu)非常適合合金相，因?yàn)槎喾N金屬的原子往往不等V,Cr,Mn,Co,Ni,Fe的原子半徑比Al的原子半徑小5％～10％二十面體有120個(gè)對(duì)稱元素，立方晶體48個(gè)對(duì)稱元素空間占有率對(duì)稱性二十面體是穩(wěn)定的原子組態(tài)在凝固過程中，易于形成二十面體結(jié)構(gòu)急冷凝固——二十面體集團(tuán)無(wú)序分布——短程有序（非晶）冷卻速度稍慢——二十面體集團(tuán)呈準(zhǔn)周期分布——準(zhǔn)周期平移序在二十面體結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑周期平移的晶體時(shí)，二十面體結(jié)構(gòu)單元一定要略微畸變，才能滿足點(diǎn)陣的平移對(duì)稱性液晶——液態(tài)晶體晶態(tài)液態(tài)中間態(tài)1888年Reinitzer，某些有機(jī)物熔化后，經(jīng)歷渾濁的液態(tài)，再加熱，透明液體渾濁狀液體的中間相具有和晶體相似的性質(zhì)——液晶液晶即有液體的流動(dòng)性又有晶體的某些各向異性液晶中分子往往具有一維或二維的長(zhǎng)程有序分子運(yùn)動(dòng)：整個(gè)分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、分子內(nèi)某些單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的構(gòu)象(conformation)變化熔化熵：分子有序：平動(dòng)有序、轉(zhuǎn)動(dòng)有序、構(gòu)象有序構(gòu)象無(wú)序晶體：保留了大部分位置有序和取向有序，只是構(gòu)象無(wú)序小分子——環(huán)狀烷(CH2)24高分子——聚乙烯、聚四氟乙烯塑晶：位置有序，取向無(wú)序大多數(shù)塑晶由球狀分子組成，轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能<<點(diǎn)陣能在受外應(yīng)力作用時(shí)，有相當(dāng)?shù)娜彳浶?，容易發(fā)生“塑性變形”液晶：液晶材料熔化時(shí)，取向分子序被保留，有序的流體塑晶由一些形狀十分類似的球形分子組成，N2,CO,環(huán)乙醇等小分子液晶：液晶的分子一般為棒狀或盤狀高分子液晶：常具有棒狀或盤狀單元的介晶基團(tuán)，顯示出較大的鏈剛性，通常具有剛性鏈和半剛性鏈的特性中間相（mesophase）或介晶（mesomorphic）液晶的分類：(1)按形成條件分：①熱致性(thermotropic)：材料通過升溫至熔點(diǎn)或玻璃化溫度(Tg)

以上才進(jìn)入液晶態(tài).②溶致性(lytropic)：由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶液組成的液晶體系，由兩種以上化合物組成最常見：水和“雙親”性分子雙親性分子(amhiphilic)：分子結(jié)構(gòu)中既含有親水的極性基團(tuán)也含有不溶于水的非極性基團(tuán)目前在技術(shù)中直接應(yīng)用的液晶都是屬于熱致性液晶(熱變型)(溶變型)肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化劑溶液生物膜CH3O(C6H4)N2O(C6H4)OCH3(2)按結(jié)構(gòu)分類：①近晶相液晶(smectic)位置有序，取向有序形式：棒狀分子的有序排列引起的層狀結(jié)構(gòu)——層型液晶②向列相液晶(nematic)桿狀分子廣泛的平行排列，沿縱向容易移動(dòng)分子取向有序，位置無(wú)序序參數(shù)偏光顯微鏡照片(線形缺陷)③膽甾相液晶(cholesteric)向列相液晶的特例分子分層排列，分子躺在層內(nèi)，層與層平行在每一層內(nèi)，分子類似向列相，趨向平行排列沿層的法線方向看，液晶基元的指向矢連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)形成螺旋光學(xué)性質(zhì)：圓偏振光的選擇型反射高旋光性各層分子按周期性扭轉(zhuǎn)組成液晶的有機(jī)分子大都是棒狀分子摩爾質(zhì)量：200~500g/mol長(zhǎng)度：幾十個(gè)埃長(zhǎng)寬比：4～8聚合物液晶——液晶高分子首要條件：有生成液晶態(tài)的分子結(jié)構(gòu)單元或液晶基元棒狀分子或條狀分子棒狀結(jié)構(gòu)有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度與直徑比第一個(gè)商業(yè)液晶高分子：杜邦公司，Kevlar芳香聚合物纖維具有高強(qiáng)度，可用作防彈衣及航天材料側(cè)鏈型與主鏈型聚合物液晶：液晶基元＋柔性鉸鏈＋主鏈(CH2)nn=1~10液晶的物理性質(zhì)(1)光學(xué)性質(zhì)絕大多數(shù)液晶呈現(xiàn)光學(xué)各向異性，雙折射性質(zhì)非常光折射率(ne)一般大于尋常光折射率(n0)雙折射率隨溫度增加而減小所有向列相與部分近晶相具有正單軸光學(xué)特性膽甾型液晶中，n0>ne，為負(fù)單軸光學(xué)特性，具有很強(qiáng)的旋光性(100～1000)o/mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水晶20o/mm旋光性呈現(xiàn)鮮明的旋光色散，并在一個(gè)轉(zhuǎn)化波長(zhǎng)范圍內(nèi)改變符號(hào)，可以觀察到圓偏振光的選擇性反射(2)磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)液晶的抗磁磁化率具有明顯的各向異性向列相液晶在2000Oe以上磁場(chǎng)中，主方向會(huì)平行于磁場(chǎng)膽甾相液晶在磁場(chǎng)中改變扭曲結(jié)構(gòu)，發(fā)生旋光性與顏色的變化向列相液晶的介電常數(shù)用來(lái)表示介電各向異性以來(lái)表示，可正可負(fù)對(duì)無(wú)偶極子材料永久偶矩的橫向分量強(qiáng)時(shí)液晶的應(yīng)用液晶分子在流動(dòng)的過程中分子軸的方向基本上是定向的具有很小的彈性系數(shù)，折射率、磁化率、介電常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等方面有明顯的各向異性一般采用液晶薄膜，讓液晶的分子軸與液晶盒表面平行或垂直(1)電光效應(yīng)的應(yīng)用在液晶盒上加電壓后，電場(chǎng)使液晶分子軸旋轉(zhuǎn)，最后與彈性力達(dá)到平衡(2)熱敏效應(yīng)的應(yīng)用液晶的光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨溫度變化，可以用作溫度顯示一些膽甾相液晶化合物溫度改變1度，可以顯示出從紅到藍(lán)的不同顏色變化液晶溫度計(jì)醫(yī)學(xué)上診斷血流障礙、惡性腫瘤、炎癥等材料檢測(cè)中可以探測(cè)工件內(nèi)部缺陷和疵點(diǎn)(探傷)借助膽甾相顯示層，可以將紅外光輻射、超聲波、微波等不可見的輻射變?yōu)榭梢?3)聚合物液晶的應(yīng)用信息存儲(chǔ)光學(xué)器件海水淡化離子交換(4)溶致液晶在高強(qiáng)度方面的應(yīng)用杜邦公司，Kevlar芳香聚合物纖維具有高強(qiáng)度，可用作防彈衣及航天材料溶液性抽絲工藝小結(jié)準(zhǔn)晶具有準(zhǔn)周期平移序，與非晶一樣都是介穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過快冷制備；Penrose鋪砌是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，要好好理解長(zhǎng)程取向有序以及準(zhǔn)周期性晶格結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念。二十面體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但因?yàn)槠洳荒芡耆紳M空間，所以不能在晶態(tài)中存在，但大部分材料在形成之初，都很容易形成二十面體結(jié)構(gòu)，只是隨著晶核的長(zhǎng)大，為了填滿整個(gè)空間，晶核過渡到晶態(tài)生長(zhǎng)；液晶是液態(tài)與晶態(tài)之間的過渡態(tài)，大多出現(xiàn)于有機(jī)材料中；液晶顯示器是液晶材料的一個(gè)非常重要的應(yīng)用，其工作原理是液晶材料的高旋光性以及對(duì)圓偏振光的選擇性反射。作業(yè)習(xí)題1：簡(jiǎn)要討論晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)和液晶在結(jié)構(gòu)與性能的區(qū)別。習(xí)題2：簡(jiǎn)述液晶顯示器的工作原理，及其與等離子體顯示器的區(qū)別。參考文獻(xiàn)《材料物理學(xué)概論》，李言榮，清華大學(xué)出版社，第1版，緒論《固體物理學(xué)》，黃昆，高教出版社，第二版，第一章晶體結(jié)構(gòu)《材料物理基礎(chǔ)》，宗祥福，復(fù)旦大學(xué)出版社，第一版，第一章第二章晶體結(jié)構(gòu)《晶體和準(zhǔn)晶體的衍射》，周公度，北京大學(xué)出版社，1999年第一版1、字體安裝與設(shè)置如果您對(duì)PPT模板中的字體風(fēng)格不滿意，可進(jìn)行批量替換，一次性更改各頁(yè)面字體。在“開