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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
2、火后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ρ（4K）=4.3mΩcm，I-Al-Cu-Ru的电阻率ρ（4K）=30mΩm。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
3、电子器件有用。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
4、都随温度的升高而增大。1.1.4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20at%的Al-Mn及Al-Mn-Si系准晶合金的平均有效磁矩为1.4μB。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,
5、具有一定的分布。与非晶体的磁性不一样,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γ在0和２mJ/mol·K２之间，Al65Cu20Tm15（Tm=Mn、Fe、Cr）准晶体的磁化率最大，在0~100k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1/4～1/5,更不能与高强铝合金
6、比。根据脆性材料的定量描述方法,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-
7、Pd-Mn和Al-Ru-Cu二十面体准晶在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Al65Cu20Fe15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。1.2．4 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Al2O3氧化膜
8、(表面氧化层)。氧化膜的
