非晶准晶结构课件

1、材料科学基础非晶体与准晶结构第5章 非晶体与准晶结构 Amorphous and Quasicrystal Structure5.1 非晶态结构 (Amorphous structure)5.1.1 玻璃结构5.1.2 金属玻璃（Metallic glass）5.1.3 高聚物的非晶态结构5.2准晶态结构 (Quasicrystal structure)5.2.1 准晶体的对称性 5.2.2 准晶体的制备5.2.3 准晶的性能及应用晶体结构*3材料化学组成 结构（聚集态）晶态或非晶态。 金属材料： 无机材料： 高分子： 晶态（体） 非晶态（体） 准晶态（体）非晶-准晶： 掌握要点？*4第1节

2、非晶态结构非晶态材料：原子不规则排列的固体材料的总称。*5第1节 非晶态结构非晶态材料：原子不规则排列的固体材料的总称。（1）在外观上不具有特定的形状，远程无序，近程有序。 非晶态材料的短程有序范围约为15埃（1.5nm）。 第1节 非晶态结构（2）非晶态是一种亚稳态。非晶态自由能高，向平衡态转变 的趋势。从亚稳态到平衡态须克服一定的势垒，因此非晶态具有相对的稳定性。（3）非晶态材料？（4）材料是晶态或非晶态与化学组成无关。相同(近)化学组成的物质由于制备条件的不同 可以形成晶态材料，也可以形成非晶态材料。 高分子： 无机材料： 金属材料： 高分子非晶：树脂、橡胶等。 无机非晶：硅酸盐玻璃。

3、金属非晶：金属玻璃等。 高分子： 无机材料： 金属材料： 晶体： 非晶体：准晶9（5）晶体与非晶态的鉴别方法： X射线衍射(X-Ray Diffraction)、中子散射、电子衍射；在透射电子显微镜（TEM）下直接观察和鉴别。 晶体的特征：在特定角度有 尖锐的衍射峰。每个衍射峰 都与特定晶面相对应。石英晶体非晶态：无特定间距的晶面，无尖锐的衍射峰，出现宽化 平坦的衍射峰。5.1.1 玻璃结构 目前较好地解释玻璃性质的假说晶子学说无规则网络学说凝胶学说五角型对称学说高分子学说(一）晶子学说观点：(1) 玻璃是由无数“晶子”组成； 晶子是带有晶格变形的有序区域；(2) 晶子分散在无定型介质中，晶子

4、到无定型部分 逐步过渡，两者间无明显的界限。前苏联学者列别捷夫于1921年提出。优点：揭示了玻璃的微观不均匀性和近程有序性。缺点：晶子的大小、化学组成、含量等 都未能得到合理的确定。（二）无规则网络学说1932年德国查哈理阿森(Zachariasen)提出： 玻璃体由（氧）离子多面体以顶角相连的形式在三维空间形成网络，排列是拓扑无序的；优点：解释各向同性/均匀性/性质变化的连续性等。 占据玻璃结构学说的主流。晶子学说/无规则网络学说反映了玻璃结构的两个方面晶子学说：以近程有序性为出发点。宏观上： 无序/均匀/连续性这一点是各种学说均认同的无规则网络学说：强调连续性、统计均匀性与无序性。微观上：

5、有序/微不均匀/不连续性。远程无序近程有序（三）玻璃结构的基本构成：玻璃中的氧化物分为三类： SiO2， Na2O2SiO2， Na2O Al2O3 2SiO2网络形成体网络变性体网络中间体构成玻璃网络的主体：SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、As2O3等。 Li2O、Na2O、K2O、CaO、SrO、BaO等的阳离子分布在网络间隙，中和氧离子的负电荷，改变玻璃的性质。BeO、MgO、ZnO、Al2O3等，即可取代Si+（网络形成体）,又可取代Na+等（网络变性体）。 钠硅酸盐玻璃结构石英玻璃SiO2Na2O2SiO2X-每个多面体中非桥氧离子的平均数，Y-每个多面体中桥氧离子的平均数。

6、Z-每个多面体中氧离子的平均总数（4-硅酸盐）；R-氧硅比。 硅酸盐网络结构特征参数：X、Y、Z、R*17*18（四）玻璃态的通性玻璃态：从熔体冷却，室温下保持熔体结构的固体状态。原子：近程有序而远程无序， 保持一定的形状。各向同性： 折射率/导电性/硬度/热膨胀系数等物理化学性质是各向同性的。 热力学：向低能状态转变的趋势，有析晶的可能。 动力学：常温下玻璃的粘度很大， 结晶速率非常缓慢，长时间保持玻璃结构不变化。热力学介(亚）稳性玻璃体 熔体的转变在一定温度区间进行， 无固定的熔点。随温度升高，硬度下降， 粘度减小。状态转化的渐变性玻璃的特征温度规定粘度时的温度。玻璃化温度(脆性温度)粘度

7、=10121013PaS温度Tg.。玻璃的软化温度粘度=109PaS的温度Tf。性质变化的连续性与可逆性5.1.2 金属玻璃(metal-glass;amorphous alloy，非晶态合金、玻璃态金属)1960年，美国科学家皮杜威（Pol Duwez）和他的博士生首先发现某些液相贵金属合金（如AuSi合金）在快速冷却(106/S)情况下，可凝固成非晶态金属。 这种非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。“愚蠢的合金”5.1.2 金属玻璃(metal-glass;amorphous alloy，非晶态合金、玻璃态金属)很薄的带状材料，应用受到限制。 20世纪80年代，“块体

8、金属玻璃”问世（直径mm 级），非晶态金属的应用才有所推广。金属玻璃冷却1.结构特点：*251. 结构特点：金属熔体在瞬间冷凝，使金属原子处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”。2.金属玻璃制作过程：（1）兼有金属和玻璃的优点，强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，具有一定的韧性和刚性。（2）避免了晶间腐蚀，有良好的化学稳定性。（3）良好的磁学性质。 金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。 美国、西欧称之为“21世纪的材料”。 3.性能特点：*28*29强韧的原因（1） 制造高压容器、火箭等关键部位的零部件、机械振荡器、电流脉冲变压器、磁泡器件等。（2）软磁材料用以制造录音、录像的磁头

9、、磁带。（3）军事上可以用于制造枪炮子弹、导弹和装甲车等；（4）体育上，适合于许多体育用品。 高尔夫球杆，反弹力更大，球打得更远；（5）电脑和手机的外壳上，轻便、美观、坚硬。 4.应用：315.2 准晶态结构准晶：具有5，8，10，12次等对称性而 无长程平移 对称性的物质。丹尼尔-谢德曼（Daniel Shechtman）准晶体的发现1982年，以色列理工学院教授丹尼尔-谢德曼（Daniel Shechtman）在融化后急冷凝固的Al-Mn合金中发现了一种具有五重旋转对称性但并无平移周期性 的20面体奇特结构。被美国化学泰斗Pauling评为“准科学家”。谢德曼（Shechtman）凭借“在

10、准晶体领域内的发现”独自获得2011年诺贝尔化学奖。*32*33伊朗清真寺的建筑设计，类似准晶的排列 伊斯兰艺术中的“girih”图案 *341976年牛津大学数学家彭罗斯（Roger Penrose）旋转对称性： 六个5次轴、十个3次轴和十五个2次轴）。 足球，碳60，病毒 等。*35 Mg67Zn30Y3 合金准晶*36Ti-Ni准晶相，HRTEM高分辨电子像*37准晶体研究的意义五次对称性和准晶相的发现对传统晶体学产生了强烈的冲击，推翻了晶体学已建立的概念，对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战，国际晶体学联合会建议把晶体定义为衍射图谱呈现明确图案的固体（any solid havi

11、ng an essentially discrete diffraction diagram）来代替原先的微观空间呈现周期性结构的定义。*38*392 准晶的形成合金成分、晶体结构类型；并非所有的合金都能形成准晶。五次对称性和准晶相的发现对传统晶体学产生了 强烈的冲击，为微观结构和新材料的研究开拓了 新领域。 控制冷速：过慢 结晶相； 过大 非晶态。形核 + 长大*403 准晶的性能 大块准晶尚难以制成，对准晶的研究多集中在其 结构方面，对性能的研究少。 室温下，准晶都很脆，尚不能作结构材料。 准晶的密度和熔点低于晶态， 原子排列规则性低于晶态； 准晶的比热容比晶态大，电阻率甚高； 电阻温度系数甚小。 表面不粘。小结非晶态材料：原子不规则排列的固体材料的总称。（1）在外观上不具有特定的形状，远程无序，短程有