準(zhǔn)晶材料制備技術(shù)

1、6.1 6.1 準(zhǔn)晶概述準(zhǔn)晶概述圖6.1 二維圖形密排晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱只能有只能有1、2、3、4、6等等5種旋轉(zhuǎn)種旋轉(zhuǎn)鈾鈾準(zhǔn)晶的電子衍射圖 1 9 8 4 年年 , 美 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 局美 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 局Shechtman和我國科學(xué)家郭可信教和我國科學(xué)家郭可信教授等相繼在授等相繼在Al-Mn和和Ti-V-Ni合金中觀合金中觀測到五次對(duì)稱電子衍射圖的相測到五次對(duì)稱電子衍射圖的相,它不具它不具有傳統(tǒng)晶體學(xué)的對(duì)稱性有傳統(tǒng)晶體學(xué)的對(duì)稱性.這種新的結(jié)構(gòu)這種新的結(jié)構(gòu)被稱為準(zhǔn)晶體。被稱為準(zhǔn)晶體。郭可信（郭可信（1923-2006）中國科學(xué)院院士）中國科學(xué)院院士1984/85年：發(fā)現(xiàn)

2、五重旋轉(zhuǎn)和年：發(fā)現(xiàn)五重旋轉(zhuǎn)和Ti-V- Ni二二十面體準(zhǔn)晶；十面體準(zhǔn)晶；1987年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)；年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)； 1987年：年：首先發(fā)現(xiàn)八重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶；首先發(fā)現(xiàn)八重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶；1988年：首先發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的年：首先發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的Al-Cu- Co十十重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶及一維準(zhǔn)晶；重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶及一維準(zhǔn)晶；1997-2000年：獲得準(zhǔn)晶覆蓋理論的實(shí)年：獲得準(zhǔn)晶覆蓋理論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。驗(yàn)證據(jù)。準(zhǔn)晶研究電子衍射圖在晶體學(xué)中的應(yīng)用高分辨電子顯微學(xué) 晶體的結(jié)構(gòu)是高度有序化的晶體的結(jié)構(gòu)是高度有序化的,它具有以原胞周期性排列它具有以原胞周期性排列為特征的程平移序和滿足晶體學(xué)點(diǎn)群為標(biāo)志的最近鄰價(jià)健長為特征的

3、程平移序和滿足晶體學(xué)點(diǎn)群為標(biāo)志的最近鄰價(jià)健長程指向序程指向序. 相反地相反地,非晶固體卻不具備這種晶體長程相關(guān)性非晶固體卻不具備這種晶體長程相關(guān)性. 準(zhǔn)晶體作為一種被新發(fā)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)準(zhǔn)晶體作為一種被新發(fā)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)形態(tài),在結(jié)構(gòu)特征在結(jié)構(gòu)特征上是處于兩者之間的上是處于兩者之間的.物理學(xué)定義物理學(xué)定義： 準(zhǔn)周期晶體準(zhǔn)周期晶體,簡稱稱準(zhǔn)晶體簡稱稱準(zhǔn)晶體,是一種同時(shí)具有長程準(zhǔn)周期是一種同時(shí)具有長程準(zhǔn)周期平移有序和非晶體學(xué)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的固態(tài)有序相，是一平移有序和非晶體學(xué)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的固態(tài)有序相，是一種新型的固態(tài)結(jié)構(gòu)。種新型的固態(tài)結(jié)構(gòu)。 準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)，即不同于非晶態(tài)材料，也不同于傳統(tǒng)的準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)，即不同于非

4、晶態(tài)材料，也不同于傳統(tǒng)的晶態(tài)材料，它是一種不具有平移對(duì)稱性，卻具有旋轉(zhuǎn)晶態(tài)材料，它是一種不具有平移對(duì)稱性，卻具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的新型結(jié)構(gòu)材料。對(duì)稱性的新型結(jié)構(gòu)材料。（a）兩種菱形單元構(gòu)成的二維penrose拼圖 （b）傅里葉變換正多邊形在二維空間中的拼砌（正三角形、正方形、正六邊形、正五邊形和正七邊形）拼砌單元的三雄模型 準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體，也不同于非晶態(tài)，其原子分布準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體，也不同于非晶態(tài)，其原子分布不具有晶體的平移對(duì)稱性，但仍具有一定的規(guī)則，且呈長程的不具有晶體的平移對(duì)稱性，但仍具有一定的規(guī)則，且呈長程的取向性有序分布，故可認(rèn)為是一種準(zhǔn)周期性排列取向性有序分布，故可認(rèn)為是一種

5、準(zhǔn)周期性排列。 不能用晶胞表示，由兩種三維拼砌單元，按一定的規(guī)則使不能用晶胞表示，由兩種三維拼砌單元，按一定的規(guī)則使之配合地拼砌成具有周期性和之配合地拼砌成具有周期性和5次對(duì)稱性。次對(duì)稱性。 目前目前，尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)材料，尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)材料， 最大的也最大的也只是只是幾幾mm直徑，故對(duì)準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面直徑，故對(duì)準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面。但從已獲得的準(zhǔn)晶都。但從已獲得的準(zhǔn)晶都 很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料使用很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料使用尚無前景。尚無前景。 準(zhǔn)晶的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)其物理性能有明顯的影響準(zhǔn)晶的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)其物理性能有明顯的影響： 高電阻、低熱導(dǎo)率、低磨擦系數(shù)、良

6、好的耐磨性和抗高電阻、低熱導(dǎo)率、低磨擦系數(shù)、良好的耐磨性和抗氧化性、高硬度、高溫塑性氧化性、高硬度、高溫塑性等優(yōu)異性能，使之適于作為等優(yōu)異性能，使之適于作為表面防護(hù)涂層。表面防護(hù)涂層。一、準(zhǔn)晶是一種亞穩(wěn)相，結(jié)構(gòu)易發(fā)生弛豫一、準(zhǔn)晶是一種亞穩(wěn)相，結(jié)構(gòu)易發(fā)生弛豫 在加熱過程中原子位置會(huì)發(fā)生一定的變化，在加熱過程中原子位置會(huì)發(fā)生一定的變化， 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)生弛豫，弛豫熱一般為發(fā)生弛豫，弛豫熱一般為0.10. 2kJ/mol。由。由較高冷卻較高冷卻速率得到的準(zhǔn)晶的穩(wěn)定性較高速率得到的準(zhǔn)晶的穩(wěn)定性較高， 弛豫熱也較高，約達(dá)弛豫熱也較高，約達(dá)0.4kJ/mol。弛豫溫度與準(zhǔn)晶的成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般。弛豫溫度與準(zhǔn)

7、晶的成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在在340-640K。準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)，性能也發(fā)生相應(yīng)的。準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)，性能也發(fā)生相應(yīng)的改改 變，例如變，例如Al84 Mnl6 準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫后準(zhǔn)晶在結(jié)構(gòu)弛豫后彈性模量約增彈性模量約增加加1。二、物理性能二、物理性能1、密度、密度低低 準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時(shí)的密度。比經(jīng)過退火后準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時(shí)的密度。比經(jīng)過退火后得到的相同成分晶態(tài)相的得到的相同成分晶態(tài)相的 密度約低密度約低2%。 由其原子排列的規(guī)則性不如晶態(tài)緊密，但由其原子排列的規(guī)則性不如晶態(tài)緊密，但密度高密度高于非晶態(tài)于非晶態(tài)。2、導(dǎo)電性、導(dǎo)電性電阻率高電阻率高晶體：電阻率最高只有數(shù)十晶體：電阻率最高只有

8、數(shù)十cm；非晶體合金：電阻率最高也只有幾百非晶體合金：電阻率最高也只有幾百cm, 準(zhǔn)晶：電阻率非常高：如在液氦下準(zhǔn)晶：電阻率非常高：如在液氦下Al2 Cu2 Li ：900cm Al2 Cu2 Ru：10003000cm Al2 Cu2 Fe 系：系：130011000cmAl2 Pd2 Re系：達(dá)系：達(dá)1cm 以上。以上。 準(zhǔn)晶合金的電阻率高，電阻溫度系數(shù)則甚小準(zhǔn)晶合金的電阻率高，電阻溫度系數(shù)則甚小, 其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。準(zhǔn)晶的電阻其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。準(zhǔn)晶的電阻率對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性十分敏感，準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)越完整電阻率對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性十分敏感，準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)越完整電阻 率越高。此外率

9、越高。此外, 準(zhǔn)晶的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，準(zhǔn)晶的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻率隨溫度的升高而下降。即電阻率隨溫度的升高而下降。3、導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱性準(zhǔn)晶材料的導(dǎo)熱性較差準(zhǔn)晶材料的導(dǎo)熱性較差1）與金屬材料（銀）與金屬材料（銀429 、銅、銅401 、金、金317、鋁、鋁237 、鐵、鐵80W/mK ） 相比，準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率都很低，在室溫下準(zhǔn)晶的相比，準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱率都很低，在室溫下準(zhǔn)晶的導(dǎo)熱導(dǎo)熱 率，要比普通的鋁合金低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與常見的率，要比普通的鋁合金低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與常見的 隔熱材料隔熱材料ZrO2（3Wmk （20-400）相媲美。）相媲美。2）準(zhǔn)晶材料具有負(fù)的溫度系數(shù)，隨著溫度升高而

10、下降。）準(zhǔn)晶材料具有負(fù)的溫度系數(shù)，隨著溫度升高而下降。熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容均隨著溫度升高而增大。熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容均隨著溫度升高而增大。3）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)晶樣品質(zhì)量越好，結(jié)構(gòu)越完善，其導(dǎo)熱性能就越差。4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜的準(zhǔn)晶類似相的導(dǎo)熱性能接近于準(zhǔn)晶。）結(jié)構(gòu)復(fù)雜的準(zhǔn)晶類似相的導(dǎo)熱性能接近于準(zhǔn)晶。3、表面特性、表面特性（1）氧化行為特性）氧化行為特性：絕大多數(shù)為鋁系準(zhǔn)晶。：絕大多數(shù)為鋁系準(zhǔn)晶。Al活潑元活潑元 素極素極易氧化。研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，準(zhǔn)晶相表面的易氧化。研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，準(zhǔn)晶相表面的 氧化現(xiàn)象明氧化現(xiàn)象明顯低于鋁合金和相近成分的晶體相。當(dāng)準(zhǔn)顯低于鋁

11、合金和相近成分的晶體相。當(dāng)準(zhǔn) 晶在室溫下長期暴晶在室溫下長期暴露在干燥空氣中時(shí)，氧化層平均厚露在干燥空氣中時(shí)，氧化層平均厚 度為度為2030A。在潮濕空。在潮濕空氣和較高溫度下氧化層會(huì)進(jìn)氣和較高溫度下氧化層會(huì)進(jìn) 一步加深（厚度約為一步加深（厚度約為6070A），并且化學(xué)成分也因，并且化學(xué)成分也因 此而變化，表層鋁的原子百分比隨之增此而變化，表層鋁的原子百分比隨之增大了（大了（Al可達(dá)可達(dá) 90wt%）。）。（2）不粘特性）不粘特性：準(zhǔn)晶材料的不粘性，實(shí)質(zhì)上是熱：準(zhǔn)晶材料的不粘性，實(shí)質(zhì)上是熱力學(xué)力學(xué) 中潤濕性的問題，與準(zhǔn)晶的表面能有關(guān)。研究中潤濕性的問題，與準(zhǔn)晶的表面能有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)， 準(zhǔn)

12、晶的最外層原子沒有重構(gòu)現(xiàn)象和準(zhǔn)晶在費(fèi)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(jí)處米能級(jí)處 的電子態(tài)密度很低造成其表面能很低。的電子態(tài)密度很低造成其表面能很低。（3）摩擦特性）摩擦特性：準(zhǔn)晶的顯微硬度比合金高，摩擦：準(zhǔn)晶的顯微硬度比合金高，摩擦系數(shù)為合金的系數(shù)為合金的1/3，具有一定的應(yīng)力塑性。，具有一定的應(yīng)力塑性。4、彌散強(qiáng)化特性、彌散強(qiáng)化特性準(zhǔn)晶除了有高的硬度和彈性模量外，室溫下其塑性都很小（變形量小于準(zhǔn)晶除了有高的硬度和彈性模量外，室溫下其塑性都很小（變形量小于100），這種室溫脆性，嚴(yán)重限制了準(zhǔn)晶的實(shí)際應(yīng)用。迄今為止，有關(guān)準(zhǔn)），這種室溫脆性，嚴(yán)重限制了準(zhǔn)晶的實(shí)際應(yīng)用。迄今為止，有關(guān)準(zhǔn)晶

13、強(qiáng)化晶強(qiáng)化 的應(yīng)用研究都是利用準(zhǔn)晶優(yōu)良的力學(xué)性能，將其作的應(yīng)用研究都是利用準(zhǔn)晶優(yōu)良的力學(xué)性能，將其作 為一種強(qiáng)化組為一種強(qiáng)化組元去增強(qiáng)基體合金。準(zhǔn)晶強(qiáng)化基體材元去增強(qiáng)基體合金。準(zhǔn)晶強(qiáng)化基體材 料的方式主要有以下兩種：料的方式主要有以下兩種：（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）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。而達(dá)到強(qiáng)化效果。（2）利用粉末冶金技術(shù)將準(zhǔn)晶顆粒（）利用粉末冶金技術(shù)將準(zhǔn)晶顆粒（m級(jí)）與金屬粉混合后，在高溫級(jí)）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)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?；慕饘倩鶑?fù)合材

14、料。5、儲(chǔ)氫特性、儲(chǔ)氫特性具有四面體結(jié)構(gòu)的具有四面體結(jié)構(gòu)的Laves 相，是很好的儲(chǔ)氫材料。而相，是很好的儲(chǔ)氫材料。而二十面體準(zhǔn)晶恰好擁有大量的四面體配二十面體準(zhǔn)晶恰好擁有大量的四面體配 位結(jié)構(gòu)，從理位結(jié)構(gòu)，從理論上講，這類準(zhǔn)晶具備了儲(chǔ)氫能論上講，這類準(zhǔn)晶具備了儲(chǔ)氫能 力。力。Krlton 等通過等通過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了Ti 系的二十面體準(zhǔn)晶相（系的二十面體準(zhǔn)晶相（I- Ti45Nt17Zr38）確實(shí)具有很強(qiáng)的儲(chǔ)氫能力，每個(gè)金屬）確實(shí)具有很強(qiáng)的儲(chǔ)氫能力，每個(gè)金屬原子可達(dá)到吸收兩個(gè)氫原子可達(dá)到吸收兩個(gè)氫 原子的水平。原子的水平。6、磁性能、磁性能較為關(guān)注但知之甚少較為關(guān)注但知之甚少研究研究

15、Al2 M n系準(zhǔn)晶合金的直流和交流磁化率與溫度之間的系準(zhǔn)晶合金的直流和交流磁化率與溫度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：關(guān)系發(fā)現(xiàn)： 磁化率與溫度之間遵守居里磁化率與溫度之間遵守居里-外斯規(guī)律外斯規(guī)律, 顯示負(fù)的居里溫度，顯示負(fù)的居里溫度，并在約并在約10K時(shí)存在自旋玻璃轉(zhuǎn)變。時(shí)存在自旋玻璃轉(zhuǎn)變。 直流磁化率與溫度關(guān)系求出含直流磁化率與溫度關(guān)系求出含M n為為20at%的的Al2Mn及及Al2Mn2Si系平均有效磁矩為系平均有效磁矩為1. 4B。 進(jìn)一步核磁共振、核比熱與磁比熱以及飽和磁矩研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步核磁共振、核比熱與磁比熱以及飽和磁矩研究發(fā)現(xiàn)，Al2Mn系準(zhǔn)晶中并不是所有系準(zhǔn)晶中并不是所有Mn原子都具有磁

16、矩原子都具有磁矩, 且具有磁且具有磁矩的矩的Mn原子其磁矩大小也各不相同，具有一定的分布。原子其磁矩大小也各不相同，具有一定的分布。7、準(zhǔn)晶硬度高于相應(yīng)的晶態(tài)材料、準(zhǔn)晶硬度高于相應(yīng)的晶態(tài)材料 熔淬法制備熔淬法制備A186 Mn14 薄帶，貼輥面的準(zhǔn)晶的硬度達(dá)薄帶，貼輥面的準(zhǔn)晶的硬度達(dá)420kg/mm2，473K退火退火75h后，由于時(shí)效硬化，硬度增加到后，由于時(shí)效硬化，硬度增加到620kg/mm2。 增加增加Al-Mn合金中的合金中的Mn含量，準(zhǔn)晶的硬度隨之增大。含量，準(zhǔn)晶的硬度隨之增大。 A178 Mn22 準(zhǔn)晶在室溫的硬度超過準(zhǔn)晶在室溫的硬度超過700kg/mm2。 準(zhǔn)晶雖然硬度高，耐磨性

17、能并不一定好，準(zhǔn)晶雖然硬度高，耐磨性能并不一定好，Al-15wt%Mn-2wt%Fe準(zhǔn)晶的耐磨性比相應(yīng)的晶態(tài)差。準(zhǔn)晶的耐磨性比相應(yīng)的晶態(tài)差。8、準(zhǔn)晶的韌性差：、準(zhǔn)晶的韌性差： 大多呈穿晶斷裂，故準(zhǔn)晶難于單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料大多呈穿晶斷裂，故準(zhǔn)晶難于單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，但可以將韌性好的晶態(tài)材料作基體，以準(zhǔn)晶作使用，但可以將韌性好的晶態(tài)材料作基體，以準(zhǔn)晶作彌散第二相，可以提高材彌散第二相，可以提高材 料的綜合性能。如果將準(zhǔn)晶料的綜合性能。如果將準(zhǔn)晶的晶粒減小到納的晶粒減小到納 米尺寸后，準(zhǔn)晶的強(qiáng)度和韌性都有很米尺寸后，準(zhǔn)晶的強(qiáng)度和韌性都有很大提大提 高，高，如如A1基合金中準(zhǔn)晶晶粒減小到納米量級(jí)后，

18、材料中準(zhǔn)基合金中準(zhǔn)晶晶粒減小到納米量級(jí)后，材料中準(zhǔn)晶含量達(dá)晶含量達(dá)70 -80，材料的強(qiáng)度和韌性都超過不含準(zhǔn)，材料的強(qiáng)度和韌性都超過不含準(zhǔn)晶的同類合金。晶的同類合金。9、光學(xué)特性、光學(xué)特性 高質(zhì)量的準(zhǔn)晶樣品具有與絕緣體、半導(dǎo)體不同的光學(xué)特性。塊體的高質(zhì)量的準(zhǔn)晶樣品具有與絕緣體、半導(dǎo)體不同的光學(xué)特性。塊體的純準(zhǔn)晶或準(zhǔn)晶薄膜，在很寬的波長范圍內(nèi)均有純準(zhǔn)晶或準(zhǔn)晶薄膜，在很寬的波長范圍內(nèi)均有60%的反射率，比導(dǎo)電材的反射率，比導(dǎo)電材料料Al、Fe要低，但優(yōu)于半導(dǎo)體材料要低，但優(yōu)于半導(dǎo)體材料Si和絕緣材料。和絕緣材料。6.2 6.2 準(zhǔn)晶的形成機(jī)理準(zhǔn)晶的形成機(jī)理6.2.1 加和原則和相似性原則加和原則和

19、相似性原則6.2.2 電子濃度電子濃度特征特征p131-132，自學(xué)，自學(xué)6.3 6.3 準(zhǔn)晶的分類準(zhǔn)晶的分類u按照熱力學(xué)穩(wěn)定性分：按照熱力學(xué)穩(wěn)定性分： 穩(wěn)定準(zhǔn)晶和亞穩(wěn)準(zhǔn)晶穩(wěn)定準(zhǔn)晶和亞穩(wěn)準(zhǔn)晶u按照三維物理空間中材料呈現(xiàn)周期性的維數(shù)按照三維物理空間中材料呈現(xiàn)周期性的維數(shù)分：分： 三維三維準(zhǔn)晶、二維準(zhǔn)晶和一維準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶、二維準(zhǔn)晶和一維準(zhǔn)晶一、準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定性分類一、準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定性分類（1）亞穩(wěn)準(zhǔn)晶）亞穩(wěn)準(zhǔn)晶快速凝固法制備快速凝固法制備以熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)存在，溫度升高時(shí)，系統(tǒng)自由能降低到最以熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)存在，溫度升高時(shí)，系統(tǒng)自由能降低到最小值，發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變。晶小值，發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變。晶 化溫度和晶化激活能越

20、高，準(zhǔn)晶化溫度和晶化激活能越高，準(zhǔn)晶的穩(wěn)定性也的穩(wěn)定性也 越高。越高。（2）穩(wěn)定準(zhǔn)晶）穩(wěn)定準(zhǔn)晶常規(guī)鑄造及固態(tài)熱處理常規(guī)鑄造及固態(tài)熱處理以熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)存在，在較高溫度能穩(wěn)定存在。最早提出以熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)存在，在較高溫度能穩(wěn)定存在。最早提出準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定存在問題準(zhǔn)晶熱力學(xué)穩(wěn)定存在問題 的是的是Widom等。等。87年年Tsai等在實(shí)等在實(shí)驗(yàn)中觀察到相當(dāng)完整的穩(wěn)定準(zhǔn)晶，證實(shí)了準(zhǔn)晶的確能以驗(yàn)中觀察到相當(dāng)完整的穩(wěn)定準(zhǔn)晶，證實(shí)了準(zhǔn)晶的確能以 穩(wěn)穩(wěn)定相存在。定相存在。二、準(zhǔn)晶準(zhǔn)周期維數(shù)分類二、準(zhǔn)晶準(zhǔn)周期維數(shù)分類（1）三維準(zhǔn)晶（最多）三維準(zhǔn)晶（最多）原子結(jié)構(gòu)在三維空間場作準(zhǔn)周期排列。三維準(zhǔn)晶主要為二十面原子結(jié)構(gòu)

21、在三維空間場作準(zhǔn)周期排列。三維準(zhǔn)晶主要為二十面體型，包含體型，包含6個(gè)個(gè)5次對(duì)稱軸、次對(duì)稱軸、10 個(gè)個(gè)3次對(duì)稱軸和次對(duì)稱軸和15個(gè)個(gè)2次對(duì)稱軸。次對(duì)稱軸。（2）二維準(zhǔn)晶）二維準(zhǔn)晶原子結(jié)構(gòu)是在主軸方向上呈周期性平移對(duì)稱，而在與該主軸正原子結(jié)構(gòu)是在主軸方向上呈周期性平移對(duì)稱，而在與該主軸正交的平面上呈準(zhǔn)周期排列。交的平面上呈準(zhǔn)周期排列。 二維準(zhǔn)晶包括二維準(zhǔn)晶包括8次、次、10次和次和12次旋次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶。轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶。（3）一維準(zhǔn)晶）一維準(zhǔn)晶原子結(jié)構(gòu)是具有周期性平移對(duì)稱的二維晶層在其法線方向上呈原子結(jié)構(gòu)是具有周期性平移對(duì)稱的二維晶層在其法線方向上呈準(zhǔn)周期堆垛。準(zhǔn)周期堆垛。1、三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)特征：、

22、三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)特征：三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)與三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)與20面體有關(guān)：面體有關(guān)：20面體有兩個(gè)點(diǎn)群：面體有兩個(gè)點(diǎn)群：235點(diǎn)群；點(diǎn)群；m35點(diǎn)群點(diǎn)群235點(diǎn)群：點(diǎn)群：6個(gè)個(gè)5次軸、次軸、10個(gè)個(gè)3次軸和次軸和15個(gè)個(gè)2次軸；次軸；m35點(diǎn)群：點(diǎn)群：6個(gè)個(gè)5次倒轉(zhuǎn)軸、次倒轉(zhuǎn)軸、10個(gè)個(gè)3次倒轉(zhuǎn)軸和次倒轉(zhuǎn)軸和15個(gè)個(gè)2 次軸；次軸；15個(gè)對(duì)稱面和對(duì)稱中心。個(gè)對(duì)稱面和對(duì)稱中心。兩個(gè)點(diǎn)群中相應(yīng)對(duì)稱軸之間的夾角相等。兩個(gè)點(diǎn)群中相應(yīng)對(duì)稱軸之間的夾角相等。結(jié)構(gòu)基元是兩個(gè)不同形狀、相同邊長的菱面體。結(jié)構(gòu)基元是兩個(gè)不同形狀、相同邊長的菱面體。三維準(zhǔn)晶的陣點(diǎn)的排列是準(zhǔn)周期的：選擇三維準(zhǔn)晶的陣點(diǎn)的排列是準(zhǔn)周期的：選擇6 個(gè)個(gè)

23、5次軸方次軸方向的菱面體邊長作為基矢向的菱面體邊長作為基矢e1 e2 ，e3 ， e4 ，e5 ，e6 ，其中任意其中任意3個(gè)可構(gòu)成一個(gè)菱面體，個(gè)可構(gòu)成一個(gè)菱面體， 共可組成共可組成20個(gè)菱面體，個(gè)菱面體，其中其中10個(gè)是取向互不相同的尖菱面體，另外個(gè)是取向互不相同的尖菱面體，另外10個(gè)是取個(gè)是取向不同的厚菱面體。由上面向不同的厚菱面體。由上面6個(gè)矢量組成的三維準(zhǔn)點(diǎn)陣個(gè)矢量組成的三維準(zhǔn)點(diǎn)陣中任意兩陣點(diǎn)之間的位矢中任意兩陣點(diǎn)之間的位矢r可以表示為：可以表示為：式中，式中，ni 是整數(shù)。三維準(zhǔn)點(diǎn)陣與二維彭羅斯圖類似不具是整數(shù)。三維準(zhǔn)點(diǎn)陣與二維彭羅斯圖類似不具有平移對(duì)稱性，相鄰兩線段之比也由下面的數(shù)

24、組成：有平移對(duì)稱性，相鄰兩線段之比也由下面的數(shù)組成：20面體準(zhǔn)點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣也是一個(gè)面體準(zhǔn)點(diǎn)陣的倒易點(diǎn)陣也是一個(gè)20面體準(zhǔn)點(diǎn)陣。面體準(zhǔn)點(diǎn)陣。因此，準(zhǔn)晶也產(chǎn)生明銳的斑點(diǎn)衍射。因此，準(zhǔn)晶也產(chǎn)生明銳的斑點(diǎn)衍射。 （TiV)2 Ni， Ti2 Fe，Mn3 Ni2 Si，A145 Cr7 Mg32 (Al、Zn)49 ，Cu4 Cd3 ，A1-V，Al-Mo等合等合金中皆觀察到金中皆觀察到5次準(zhǔn)晶。次準(zhǔn)晶。制備非晶態(tài)材料的方法都可用來制備準(zhǔn)晶，主要有：制備非晶態(tài)材料的方法都可用來制備準(zhǔn)晶，主要有： 快速凝固法（主要制備準(zhǔn)晶方法）快速凝固法（主要制備準(zhǔn)晶方法） 表面熔化法表面熔化法 離子束混熔離子束混熔

25、 非晶態(tài)合金退火非晶態(tài)合金退火 機(jī)械化學(xué)等方法機(jī)械化學(xué)等方法6.4 6.4 準(zhǔn)晶的制備方法準(zhǔn)晶的制備方法1、冷凝速度、冷凝速度當(dāng)熔體快速冷卻時(shí)，原子簇?zé)o規(guī)排列，便形成非晶態(tài)材料；當(dāng)熔體快速冷卻時(shí)，原子簇?zé)o規(guī)排列，便形成非晶態(tài)材料； 熔體冷卻得很慢，原子可以擴(kuò)散，原子簇之間可協(xié)調(diào)相互熔體冷卻得很慢，原子可以擴(kuò)散，原子簇之間可協(xié)調(diào)相互位置，使其具有長程周期序，便成位置，使其具有長程周期序，便成 為晶態(tài)相。為晶態(tài)相。 只有當(dāng)冷凝速度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候，晶態(tài)相來不及成核，只有當(dāng)冷凝速度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候，晶態(tài)相來不及成核，長大，原子簇根據(jù)本身的對(duì)稱長大，原子簇根據(jù)本身的對(duì)稱 性，按一定的幾何規(guī)律，相互

26、性，按一定的幾何規(guī)律，相互聯(lián)結(jié)起來，形成準(zhǔn)晶。聯(lián)結(jié)起來，形成準(zhǔn)晶。 準(zhǔn)晶形成最佳冷卻速度：準(zhǔn)晶形成最佳冷卻速度：Al-Mn合金，當(dāng)冷卻速率合金，當(dāng)冷卻速率l06K/s時(shí)，形成時(shí)，形成20面體準(zhǔn)晶。面體準(zhǔn)晶。2、材料成分對(duì)準(zhǔn)晶形成影響是很復(fù)雜的過程、材料成分對(duì)準(zhǔn)晶形成影響是很復(fù)雜的過程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：準(zhǔn)晶主要是實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：準(zhǔn)晶主要是A1、Mg、Ti基類合金，合金中加入基類合金，合金中加入適量的類金屬適量的類金屬Si、B等元素有利于準(zhǔn)晶的形成，多元合金可等元素有利于準(zhǔn)晶的形成，多元合金可以改善準(zhǔn)晶以改善準(zhǔn)晶 的形成能力。從晶態(tài)相的結(jié)構(gòu)，也可預(yù)測該的形成能力。從晶態(tài)相的結(jié)構(gòu)，也可預(yù)測該 合合金快速冷卻時(shí)能否

27、得到準(zhǔn)晶。如果平衡晶態(tài)相結(jié)構(gòu)中含有大金快速冷卻時(shí)能否得到準(zhǔn)晶。如果平衡晶態(tài)相結(jié)構(gòu)中含有大量量20面配位多面體，這樣成分的合金就容易形成準(zhǔn)晶。面配位多面體，這樣成分的合金就容易形成準(zhǔn)晶。例如晶態(tài)例如晶態(tài)(Ti、V)2 Ni合金中含有約合金中含有約50%的的20面體，則急冷面體，則急冷(Ti、V)2 Ni合金中，含有準(zhǔn)晶合金中，含有準(zhǔn)晶20面體相。面體相。3、二、三維準(zhǔn)晶形成條件與合金成分和冷卻速率有關(guān)：、二、三維準(zhǔn)晶形成條件與合金成分和冷卻速率有關(guān)：如：如：Al-Mn合金合金Al-(810)at%Mn合金：三維準(zhǔn)晶合金：三維準(zhǔn)晶Al-(1420)at% Mn合金：二維準(zhǔn)晶合金：二維準(zhǔn)晶Al-14

28、at%Mn合金：合金：冷卻速率約冷卻速率約106K/s時(shí)形成時(shí)形成20面體準(zhǔn)晶，面體準(zhǔn)晶，而冷卻速率較小時(shí)，形成二維準(zhǔn)晶。而冷卻速率較小時(shí)，形成二維準(zhǔn)晶。6.5 6.5 準(zhǔn)晶的應(yīng)用前景準(zhǔn)晶的應(yīng)用前景準(zhǔn)晶材料具有的一系列性能特點(diǎn)，使其從高技術(shù)領(lǐng)域如準(zhǔn)晶材料具有的一系列性能特點(diǎn)，使其從高技術(shù)領(lǐng)域如應(yīng)用于航空航天器機(jī)翼和機(jī)身的表面涂層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)用于航空航天器機(jī)翼和機(jī)身的表面涂層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的熱障膜以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋯和鋯釔氧化物，到一般工業(yè)上的熱障膜以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋯和鋯釔氧化物，到一般工業(yè) 領(lǐng)域如用于輕合金表面涂層等，都具有廣闊的應(yīng)用前景。然領(lǐng)域如用于輕合金表面涂層等，都具有廣闊的應(yīng)用

29、前景。然而由于準(zhǔn)晶的脆性問題，而由于準(zhǔn)晶的脆性問題， 嚴(yán)重阻礙了它在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)嚴(yán)重阻礙了它在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。因此，用。因此， 目前準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用仍主要在目前準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用仍主要在準(zhǔn)晶薄膜（準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶薄膜（準(zhǔn)晶涂層）和準(zhǔn)晶復(fù)合材料涂層）和準(zhǔn)晶復(fù)合材料兩方面。兩方面。一、不粘鍋涂層一、不粘鍋涂層準(zhǔn)晶堅(jiān)硬與不粘的特性利用于烹飪器具的涂層，第一個(gè)準(zhǔn)晶堅(jiān)硬與不粘的特性利用于烹飪器具的涂層，第一個(gè) 準(zhǔn)晶應(yīng)用的專利準(zhǔn)晶應(yīng)用的專利不粘鍋涂層不粘鍋涂層1988年法國。年法國。不粘鍋涂層利用噴涂技術(shù)將不粘鍋涂層利用噴涂技術(shù)將Al2Cu2Fe準(zhǔn)晶顆粒沉積到基體上，形成均勻薄準(zhǔn)晶顆粒沉積到基體上，形成均勻薄膜。由

30、于同時(shí)加入了膜。由于同時(shí)加入了Cr等合金元素，等合金元素， 因此薄膜表面能低，具有優(yōu)良的不粘因此薄膜表面能低，具有優(yōu)良的不粘性能，同時(shí)有優(yōu)良性能，同時(shí)有優(yōu)良 的耐蝕性、耐高溫性的耐蝕性、耐高溫性(可承受可承受750高溫高溫) 、高的硬度、高的硬度 (是是不銹鋼硬度的不銹鋼硬度的2倍以上倍以上)和高的耐磨性。和高的耐磨性。準(zhǔn)晶涂層導(dǎo)熱性差，升溫初期涂層猶如一層絕熱層，使準(zhǔn)晶涂層導(dǎo)熱性差，升溫初期涂層猶如一層絕熱層，使 底部積聚的熱量均底部積聚的熱量均勻地?cái)U(kuò)散至整個(gè)表面而不會(huì)產(chǎn)生局部勻地?cái)U(kuò)散至整個(gè)表面而不會(huì)產(chǎn)生局部 過熱，符合食品烹飪要求。過熱，符合食品烹飪要求。取代傳統(tǒng)的耐磨性差、使用壽命短的聚

31、四氟乙烯涂層不粘鍋的趨勢。取代傳統(tǒng)的耐磨性差、使用壽命短的聚四氟乙烯涂層不粘鍋的趨勢。二、熱障涂層二、熱障涂層 與航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的隔熱材料鋯釔氧化物及其與航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的隔熱材料鋯釔氧化物及其它隔熱材料相比，準(zhǔn)晶涂層具有密度低、硬度高、它隔熱材料相比，準(zhǔn)晶涂層具有密度低、硬度高、耐磨、耐蝕、耐氧化、使用耐磨、耐蝕、耐氧化、使用 溫度高及易于制造等優(yōu)溫度高及易于制造等優(yōu)點(diǎn)，能滿足多種場合下的隔熱要求。利用噴涂技術(shù)點(diǎn)，能滿足多種場合下的隔熱要求。利用噴涂技術(shù)在基體表在基體表 面形成一層準(zhǔn)晶薄膜。面形成一層準(zhǔn)晶薄膜。目前準(zhǔn)晶熱障涂層已在飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部件中目前準(zhǔn)晶熱障涂層已在飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部

32、件中得到應(yīng)用。得到應(yīng)用。三、太陽能選擇吸收薄膜三、太陽能選擇吸收薄膜 準(zhǔn)晶本身并不具備光的選擇吸收特性，但準(zhǔn)晶薄膜與準(zhǔn)晶本身并不具備光的選擇吸收特性，但準(zhǔn)晶薄膜與高反射材料組成的多層結(jié)構(gòu)材料：高反射材料組成的多層結(jié)構(gòu)材料： 如如“銅銅/絕緣體絕緣體/準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶/絕緣體絕緣體”對(duì)太陽光卻具有選擇吸收對(duì)太陽光卻具有選擇吸收的特性。由此構(gòu)成的絕緣體的特性。由此構(gòu)成的絕緣體/準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶/絕緣體多層膜具有很絕緣體多層膜具有很高的熱吸收率和很低的熱發(fā)射率，與現(xiàn)有的工業(yè)化材高的熱吸收率和很低的熱發(fā)射率，與現(xiàn)有的工業(yè)化材料相比，它們的熱吸收率略有降低，但熱發(fā)射率卻要料相比，它們的熱吸收率略有降低，但熱發(fā)射率卻要低得多。低得多。 理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，使人們對(duì)準(zhǔn)晶制作太陽能選擇吸理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，使人們對(duì)準(zhǔn)晶制作太陽能選擇吸收裝置產(chǎn)生了極大的興趣。收裝置產(chǎn)生了極大的興趣。四、準(zhǔn)晶復(fù)合材料四、準(zhǔn)晶復(fù)合材料 準(zhǔn)晶彌散強(qiáng)化的特性，正在逐漸走向?qū)嵱?。?zhǔn)晶彌散強(qiáng)化的特性，正在逐漸走向?qū)嵱谩?Al2 Cu2 Fe準(zhǔn)晶顆粒準(zhǔn)晶顆粒/Al基復(fù)合材料已被用作輕質(zhì)中基復(fù)合材料已被用作輕質(zhì)中溫高強(qiáng)、高韌結(jié)