1、四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告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
2、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 （4K）=4.3m cm， I-Al-Cu-Ru 的电阻率 （4K）=30m 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
3、件有用。美国贝尔实验室也在进行类似的研究。四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告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。此外,准晶的热扩散系数和比热容都随温度的升高而增大。1.1
4、.4磁性能这里主要介绍实验研究较多的 Al-Mn系二十面体准晶的磁性研究成果。根据研究 Al-Mn系准晶合金的直流和交流磁化率与温度之间的关系发现 ,其磁化率与温度之间遵守居里-外斯规律, 显示负的居里温度,并在约 10K时存在自旋玻璃转变。由直流磁化率与温度的关系求出含 Mn为 20a t%的 Al-Mn及 Al-Mn-Si系准晶合金的平均有效磁矩为 1. 4B。通过进一步的核磁共振、核比热与磁比热以及饱和磁矩的研究发四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告现, Al-Mn系准晶中并不是所有 Mn原子都具有磁矩, 且具有磁矩的 Mn原子其磁矩大小也各不相同,具有一定的分布。与非晶体的
5、磁性不一样, 具有磁性的准晶体大多数呈现弱常磁性或反磁性 , 其磁化率 x 不随温度变化, 电子结构 在 0和mJ/molK 之间，Al 65Cu20Tm15（Tm=Mn、Fe、Cr）准晶体的磁化率最大，在 0100k温度范围内其磁化率随温度升高而近似的呈反比降低。1.2力学性能1.2.1常规力学性能准晶室温下的性能特点与一般金属间化合物相仿,表现为硬而脆。表 1列出了部分准晶、陶瓷材料及高强铝合金的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性。由表 1 中数据可以看出, 准晶的硬度与陶瓷材料相仿, 远高于高强铝合金, 而韧性较低,仅为陶瓷的 1 /41 /5, 更不能与高强铝合金比。根据脆性材料的定量描述方
6、法, 即脆性材料的硬度与韧性之比(HV /KIC ) 可知,准晶的脆性较大,是陶瓷材料的 4倍以上。进一步的研究表明,准晶力学性能沿周期方向和准周期方向的差异不大,退火可以适量改善准晶的抗拉强度,但对硬度和韧性的影响不大。四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告1.2.2高温力学性能准晶位错周围存在许多分立的错排点,使位错的可动性大大降低,因此通常情况下准晶表现出极端脆性。然而,实验结果表明,准晶在某一较高温度以上也会发生明显的塑性形变,并且弹性模量和流变应力也都会随着温度的升高而降低。如 Al-Cu-Fe二十面体准晶在650以上、Al-Pd-Mn 和 Al-Ru-Cu二十面体准晶在
7、700以上有明显的塑性形变。1.2.3摩擦性能准晶材料的摩擦磨损行为研究相对开展较早,这主要得益于准晶薄膜制备技术的日臻成熟。表给出了几种常用材料和 Al65Cu20 Fe15准晶薄膜的维氏硬度和摩擦系数。可见,准晶薄膜与块体准晶的硬度基本相同,都远远高于钢及铝合金,多数情况下准晶薄膜的摩擦系数要略大于块体准晶,但都小于其它金属。因此,准晶薄膜具有较好的耐磨性能。1.24 表面抗氧化及不粘特性氧对 Al系准晶中的 Al具有择优氧化性, 因此氧化时 Al被优先氧化。氧化的作用使 Al在准晶表面富集,进而形成一层致密的 A l2O3 氧化膜(表面氧化层) 。氧化膜的厚度与氧化环境有关,它在真空、大
8、气和水中的厚度分别为 0.4 0.8nm、1.92.6nm 和5.88.6nm。由于氧化膜具有钝化作用,所以准晶的抗氧化性能一般都比较好。四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告准晶在费米能级处的电子密度较低, 再加上准晶薄膜表层具有一定的粗糙度,故准晶薄膜具有较低的表面能,其大小接近传统不粘材料聚四氟乙烯,因此具有优良的表面不粘性。1.2.5储氢特性金属材料的储氢特性主要取决于金属于氢之间的化学反应以及金属中可容纳氢原子的间隙位置和数量。在大多数过渡金属中, 氢趋向于四面体位置,因而具有四面体结构的 Laves相是很好的储氢材料。而二十面体准晶就拥有大量的四面体配位结构,因此从理论上
9、讲这类准晶具备了储氢能力。Kelton 等通过对 Ti系二十面体准晶的储氢能力实验证实了这一设想,此后在其它系的准晶合金(如 Zr-Cu-Ni-Al等)中也都得到了证实。1.2.6弥散强化特性准晶高硬度的特性使其理所当然地能成为一种弥散强化相来增强基体金属。形成准晶弥散强化的方法主要有两种,即热处理和粉末冶金。热处理就是通过固态反应析出准晶相并弥散分布于基体中, 从而起到强化合金的作用。粉末冶金法就是利用粉末冶金技术将准晶颗粒与金属粉混合后在高温下挤压成由准晶颗粒与金属基复合的材料。2准晶材料的应用准晶材料具有的一系列性能特点, 使其从高技术领域如应用于航空航天器机翼和机身的表面涂层、航空发动
10、机叶片上的热障膜以代替传统的氧化锆和锆钇氧化物,到一般工业领域如用于轻合金表面涂层等, 都具有广阔的应用前景。然而由于准晶的脆性问题,严重阻碍了它在结构材料中的应用。因此, 目前准晶材料的应用仍主要在准晶薄膜(准晶涂层)和准晶复合材料两方面。2.1 不粘锅涂层不粘锅涂层通常是利用喷涂技术将 Al-Cu-Fe准晶颗粒沉积到基体上,并形成一个均匀薄膜。由于同时加入了 Cr等合金元素,因此该薄膜除具有较低的表面能,即具有优良的不粘性能外,还具有优良的耐蚀性、耐高温性(可承受 750高温) 、高的硬度(是不锈钢硬度的 2倍以上)和高的耐磨性。2. 2 热障涂层与航空发动机常用的隔热材料锆钇氧化物及其它
11、隔热材料相比, 准晶涂层具有密度低、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化、使用温度高及易于制造等优点,因而能满足多种场合下的隔四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告热要求。其形成方法也是利用喷涂技术在基体表面形成一层准晶薄膜。目前准晶热障涂层已在飞机和汽车发动机等部件中得到应用。2.3太阳能选择吸收薄膜准晶本身并不具备光的选择吸收特性, 但准晶薄膜与高反射材料组成的多层结构材料, 如“铜/绝缘体/准晶/绝缘体”对太阳光却具有选择吸收的特性。由此构成的绝缘体/准晶/绝缘体多层膜具有很高的热吸收率和很低的热发射率,与现有的工业化材料相比,虽然它们的热吸收率略有降低,但热发射率却要低得多。2.4准晶
12、复合材料准晶弥散强化的特性, 正在逐渐走向实用。本文前面提及的 A l2Cu2Fe准晶颗粒/A l基复合材料已被用作轻质中温高强、高韧结构材料;由准晶弥散强化的低碳马氏体时效超高强度钢(硬度 730HV,抗拉强度接近 3 000M Pa) ,则可望应用于医疗器械材料。Inoue 等获得的由纳米尺度的 Al-Mn-La、Al-Cr-La 准晶颗粒增强的 Al基合金, 因具有优良的弯曲性能和高达 1 2001400MPa 的弯曲强度,而有望应用于航空工业。2.5磁性材料二十面体准晶的独特结构,很容易把它与软磁材料联系在一起。软磁材料的特点是高的磁导率,低的矫顽力和低的铁芯损耗。而二十面体准晶的特点
13、是具有极高的电阻率和较高的对称性(比任何晶态磁性材料都高) ,易磁化轴数比晶态多,各向异性的位垒低,畴壁运动或磁矩转动都比较容易,因而可以有效地降低矫顽力和铁芯损耗。所以,虽然二十面体准晶因具有磁各向异性而降低了磁导率,但仍有可能成为具有优异软磁性能的磁性材料。对于二维准晶,若易磁化轴是其周期排列的主轴,则有可能获得单轴各向异性的新的永磁材。由此可见,准晶对磁性的一个重要影响就是磁各向异性。虽然至今尚未获得真正的准晶磁性材料, 但由近期开发的居里温度在 300500K 的二十面体 Al70 - X Pd15Mn15BX铁磁性准晶材料等成果可以相信,随着对准晶材料研究的不断深入,一定能开发出具有
14、实际应用价值的准晶磁性材料。3准晶体的发展趋势（1) 全面研究准晶体的力学性能, 为开发实用工程准晶材料铺路。（2) 研究准晶体对常用工程材料表面改性的贡献；（3) 继续研究准晶体的热稳定性，开发高温准晶材料；（4) 继续研究准晶体的电磁性能，开发准晶功能材料；四川大学材料科学与工程学院 2009 级研究报告（5) 研究准晶体性能的普遍规律；（6) 研究准晶体性能的内在机制，为准晶体性能研究提供理论依据。总之，准晶体的性能研究具有广阔的前景，只要掌握了准晶体的性能特征及影响因素，就会出现许多具有特殊性能的准晶新材料为人类服务。参考文献 1 肖华星.引人注目的新材料准晶材料 IV：准晶的性能及应用A.常州工学院报，2005（01）： 0010 05.2 伍陶陶,刘育,樊振军.准晶材料的研究及应用. 中国地质大学（北京）材料科学与工程学院物理实验中心.2010年.3 Shechman,D. et al., Phys. Rev. Lett,1984,53，1951.
