准晶材料的发展历程及其研究现状.docx

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1、准晶材料的进展历程及其争论现状摘 要：本文介绍了准晶的定义、分类，并阐述了准晶材料的进展历程。简要概括了准晶材料的国内外争论现状。最终，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；进展历程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，至今人们已相继觉察了具有8次、10次和12次旋转对称的合金相，这些合金的电子衍射把戏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，这些差异说明准晶代表了一种的固态构造。但5次及6次以上对称在传统晶体中是不允许存在的，由于不能仅仅用这样的几何单元

2、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 准晶材料的进展1984年，美国科学家D.shechtman等1在争论用急冷凝

3、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合金中觉察了一种惊奇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，其电子衍射把戏明显地显示出传统晶体构造所不允许的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”一文中首次报道了觉察一种具有包括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)。几乎在同一时间，D.Levine及Steinhard2在争论具有5次对称的原子簇时，从理论上计算出具有明锐的 5次

4、对称性的衍射图，并称这种具有 5次对称取向序而无周期平移序的物质为准周期性晶体，简称准晶。理论与实践的完善结合，充分确定了5次旋转对称客观存在。起初，人们认为具有长程取向序而无周期平移序的准晶态，是界于具有长程序的晶态与只有短程序的非晶态之间的一种的物质态。甚至有人称之为二十面体玻璃(Icosahedral glass)，二十面体指它具有二十面体对称，玻璃表示无长程平移序。另一种极端的看法是它是5、10或20个同样晶体并列在一起的孪晶。随着对准晶态物质争论的不断深人，人们渐渐统一了生疏，认为准晶仍旧是晶体，它有着严格的位置序(因此能给出明锐的衍射)，只不过不是象经典晶体那样原子呈三维周期性排列

5、，而是呈准周期排列。5次旋转对称这个在三维方向均呈准周期分布对称的禁区被突破后，在短短的3年多时间内，相继发了在主轴方向呈周期性平移对称而在与此主轴垂直的二维平面上呈准周期分布对称的二维准晶，以及在二维方向呈周期性平移对称而在与此二维平面垂直的法线上呈准周期堆垛的一维准晶3。三维、二维和一维准晶在短短几年内被相继觉察，充分说明准晶存在的普遍性。在准晶争论开头的十几年，我国科学工作者的争论水平始终处于国际领先地位。中国科学院以郭可信为首的一个争论小组，几乎与美国、以色列等国科学家同时利用高区分电子显微术、电子衍射及计算机成像模拟技术，深人系统地争论了具有二十面体构造单元的合金相。王大能等4在高温

6、合金中的以Ni、Ti为主要组成元素的合金相中观看到5次对称电子衍射图，在此根底上张泽等5又于1985 年春首次在急冷Ni-Ti合金中觉察了具有 5次对称的三维准晶相;王宁等6及曹巍等7分别首先在急冷Cr-Ni-Si，V-Ni-Si合金和Mn-Si合金中觉察具有8次旋转对称的二维准晶相;继美国的L.Bendersky等3在Al-Mn合金中觉察10次对称的二维准晶相后，中国科学院物理争论所的冯国光等8于1986年首次在Al-Fe合金中觉察10 次对称的二维准晶相；继T.Ishimasa等3在Ni-Cr合金中觉察12次对称准晶后，陈焕等9在急冷的V-Ni和V-Ni-Si合金中也觉察了具有 12次对称

7、的二维准晶； 1988 年我国学者何伦雄等3首先在急冷的Al-Co-Cu合金及Al-Ni合金中觉察了一维准晶；1989年郭可信等4还在V-Ni-Si和V-Co-Si系合金中觉察了一些具有立方对称的构造单元在空间作准周期排列的准晶，这是继二十面体准晶之后国际上首次觉察的具有立方对称的其次种三维准晶。迄今为止，人们已经在Al合金、过渡族金属合金及含有稀土元素或婀系元素的合金等众多合金系中觉察了上百种准晶10，尤其是1987年3觉察了稳定而构造完整的Al-Cu-过渡族金属二十面体准晶，加之制备方法的进步，极大地促进了准晶材料制备、性能和应用的争论，为准晶材料的全面开发奠定了根底。3 准晶材料的国内外

8、争论现状1本文介绍准晶材料在两方面应用的进展，准晶材料应用在外表改性材料中， 准晶也作为构造材料增加相。3.1 准晶材料在外表改性材料中的应用将准晶材料以涂层或薄膜的形式涂覆于其它材料的外表，主要利用它的不粘性、耐热、耐磨、低的摩擦系数、耐蚀及特别的光学性能，从而转变材料外表的性质，优化整体材料的性能。炊具外表材料 准晶材料最先应用于不粘锅底外表，如Al-Pd-Mn准晶的不粘性可以与最好的不粘性材料聚四氟乙烯(Teflon)相比。与聚四氟乙烯材料相比， 准晶材料的耐磨损高硬度等有助于提高使用寿命，完全符合厨房炊具的标准。准晶的导热性较差，但由于层厚较薄，不会影响到不粘锅的使用。隔热材料 人们争

9、论准晶的热导性觉察，由于准晶的电子传输过程与组成它的金属原子很不一样，准晶的导热系数很小，比不锈钢低一个数量级，在室温与绝缘体ZrO2很接近，可以用作隔热材料，如热障涂层。太阳能工业薄膜材料选择吸取入阳光能的应用要求吸取材料在太阳光谱区具有高的吸取率且对丁长波具有高的反射率，即热半球放射率要小，稳定性要高。准晶具有特别的光学性能(高的红外传导率)和足够的热稳定性(抗氧化及集中稳定性)，可以应用于太阳热能工业。德国科研人员以Cu为基底，将厚度约10nm的Al-Cu-Fe准晶薄膜置于两层绝缘薄膜之间，构成多层构造，其具有太阳能工业要求的选择吸取性质。3.2 准晶作为构造材料增加相的应用准晶合金的本

10、质脆性和小可避开的存在疏松限制了其本身作为构造件的应用，为r利用其高硬度、不粘性、耐热、耐磨和耐腐蚀等良好的综合性能，考虑其次相强化机制(弥散强化)，将其用作构造材料的增加相。准晶相作为时效强化相 瑞典皇家工学院的争论人员开发的型马氏体时效钢11，成分为12%Cr-9%Ni-4%Mo-2%Cu-1%Ti，其中时效强化相为准晶相。准晶相的成分典型值为34%Fe，12%Cr， 2%N，49%Mo和3%Si，在475时效4h 形成，经过l000h都保持稳定，即准晶颗粒是热力学平衡析出。时效过程中丰富的形核位置与缓慢的粗化过程可以用准晶的低外表能进展解释。准晶的假设增加了该钢的抗拉强度。准晶纳米颗粒增

11、加基合金 日本学者A.Inoue等承受快冷方法开发出一种具有异力学性能的Al基合金12。其组织特征为，在fcc-Al相中均匀分布有纳米尺度的准晶颗粒。4 文献大意文章标题为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。本文介绍Ti1.4V0.6Ni电极热处理前后的构造和电化学性质早先就有系统的争论。样品的构造通过X射线粉末衍射进展表征。电化学性能包括放电容量，循环稳定性和高速放电力量。样品在 590环境下处理30分钟后进展X射线粉末衍射分析，全部的样品主要包括二十面体的准晶相(I-phase)，Ti2N相(FCC)， V-基固溶相(BCC)和C14拉夫斯相(六

12、角的)。电化学测量显示热处理后的合金电极的最大放电容量是330.9mA.h/g，而在30时没有热处理的电流密度为30 mA.h/g。结果显示循环稳定性和高速放电力量都提高了。另外，合金电极的电化学动力学通过电化学阻抗谱EIS和氢集中系数D来争论。文章第一局部主要介绍准晶材料，包括准晶材料的觉察，十二面体准晶相的特别性质及其争论历程。说明Ti-拉夫斯相合金和V-固溶体合金目前是Ni-MH充电电池的抱负材料，并介绍这两种材料的优越性。其次局部为本文的试验局部，主要介绍合金材料的制备过程，具体制备过程如下，在水冷却的铜炉中使用电弧熔化技术将V、Ni纯度为99.9%和Ti1.4V0.6Ni 合金混合溶

13、化，整个过程都在氩气氛下完成。将上述过程重复三次以保证明验的同次性。然后用转速为34m/s的铜轮制备合金纺丝，试验在氩气氛及恒率升温环境下进展。之后将纺丝粉碎成直径为 0.038-0.075微米的微粉。将微粉在真空、590环境下处理30分钟，即得产物。本局部还介绍了以所得电极为参比电极， 以金属氧化物电极为工作电极，进展充放电测试并进展表征。第三局部为结果与争论，分别争论了合金的构造、所得电极的放电容量、电极高速放电力量和电化学动力学。 XRD图显示，源合金具有十二面体准晶相、V-基固溶相和Ti2N相的构造。然而，处理过的合金除了含有上述物质的构造外还包含C14拉夫斯相的构造。试验结果说明，经

14、过处理后，放电容量，循环稳定性和高速放电力量等化学性质有所提高。与未处理过的材料相比，处理后的材料具有较高的氢集中系数和较低的电荷转移电阻。参考文献1 Shechtman D,Blech I,Cratias D,Cahn J W.Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetryJ,Phys.Rev. Lett.,1984，53:1951-1953.2 Levine D,Steinhardt P J,Quasicrystals: A new class of ordered struc

15、turesJ. Phys.Rev.Lett.,1984，53:2477-2480.3 郭可信.准晶J.科学通报.1990,(22):1691-1695.4 陈敬中著.准晶构造及对称理论M.武汉:华中理工大学出版社，1996.5 Zhang Z,Ye H Q,Kuo K H. A new icosahedral phase with m35 symmetryJ. Philos.Mag., 1985,A52:L49-L52.6 WangN,ChenH,KuoKH.Two-dimensionalquasicrystalwitheightfoldrotational, symmetryJ. Phys.

16、Rev.Lett.,1987,59:1010-1013.7 Gao W,Ye H Q,Kuo K H.A new octagonal quasicrystal and related crystallline phases in rapidly solidified Mn4Si J .Phys. Status. Solidi,1988 A107:511-519.8 Fung K K,Yang C Y,Zhou Y Q,etal.lcosahedrally related decagonal quasicrystal in rapidly cooled Al at.14%-Fe alloyJ.

17、Phys.Rev. Lett.,1986,56:2060-2063.9 Chen H,Li D X,Kao K H. New type of two-dimensional quasierystal with twelvefold rotationalsymmetryJ. Phys.Rev.Letr.,1988,60: 16451648.10 康光明.准晶材料的争论现状J,有色金属与稀土应用,2023，(3):7-1111 Liu P,Stigenberg A H,Nilsson J O. Scripta Metallurgica et Materialia,1994,31(3):24912 Inoue A, Kimura H M. Mater Sci Eng, 2023,A286:1