2-3 准晶、非晶和液晶

1、2-3 准晶、非晶和液晶,2019/6/16,2,2-3 准晶、非晶和液晶,准晶体、非晶体、液晶、等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚等,物质的其它聚集形态,晶体：周期性、对称性,？,2019/6/16,4,1984年中国、美国、法国和以色列（schechman，1982）等国家的学者几乎同时在淬冷合金中发现了存在有5次对称轴，确证这些合金相是具有长程定向有序，而没有周期平移有序的一种封闭的正20面体相，并称之为准晶体。 以后又陆续发现了具有8次、10次、12次对称的准晶结构。目前在自然界中还没有发现准晶体。 准晶的发现一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使其具有潜在的应用价值。,1.准晶体,2019/6/16,6,五次对称性,准晶对称的鱼,五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究,二十面体准晶,准晶态的结构特征,1974年，数学家Penrose提出用两种四边形，夹角分别为：,72o、72o、144o、72o,36o、72o、36o、216o,可以将平面铺满，不留空隙 这种图形具有5次对称性,彭罗斯铺砌的四边形是将一个菱形切开而得到的：,风

2、筝,飞镖,所得图形到处呈现5次对称性，但没有平移周期性,当沿图中任一轴看去，阵点距离都是1和 并且图中任何一个有限部分均可在整体中其他区域找到,Penrose图形： 长程取向有序， 非周期性的长程有序,准晶： 准周期性平移序和 非晶体学旋转对称性的固态有序相,准晶态的种类,按准晶的成分来分：二元、三元、四元等多元合金,Ti-Ni,郭可信 张泽,Al-Li-Cu,麦振洪 李方华,准晶的制备： 急冷甩带法； 锤淬法：熔融金属，汽锤敲击 任何用于制备亚稳定合金相的方法 (离子束混合，离子注入，气相沉积，急速加压，电子束) 长期时效(常规合金制备方法),准晶的尺寸小，介稳定状态，性质测量困难，不系统，不统一,室温下硬而脆，大块准晶性能接近陶瓷 在高温下具有类似超塑性的极高塑性 高硬度、耐摩擦性能及不粘性,准晶的物理性质：,力学性能：,准晶图案-赏析：,2009，SCIENCE,khatyrkite的岩石自然界中的准晶,2.非晶体,长期以来，提到合金指的就是晶态合金。提到非晶态，指的是玻璃态的硅酸盐。上个世纪六十年代，非晶态合金的出现，改变了这种情况。 60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，

3、用快速冷却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材料，获得很快发展。,2.1 非晶态合金的结构特征,非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。 晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。而非晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更远的原子是无序的。从X射线衍射强度图可以看出，晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分布函数来表征非晶态合金结构。,非晶的特性： 非晶合金具有比普通金属更高的强度。 非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。 非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀能力。非晶态合金是均匀的多元固溶体，不存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有利于抗化学腐蚀。,2.2 非晶态的形成,1）抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构

4、2）使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化 3）在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变为非晶态,液态金属的凝固,液态金属冷却过程中，粘滞系数逐渐增大，到达熔点Tm时，发生突变结成固态金属或合金； 当快速凝固时，在低于Tm温度下，金属仍保持液态，成为过冷液体（亚稳态），其自由能高于晶态金属，原子在短时间内重排，结构弛豫，变成平衡亚稳态； 当液体温度降至Tg，粘滞系数成数量级的突变，成为非平衡态的亚稳固体。,冷却速度越高，Tg越高，越有利于非晶态材料的形成,非晶态固体的结构可以用三种不同的模型来描述，它们分别是无规密堆积模型、连续无规网络模型和无规线团模型。,1.无规密堆积模型 右图是描述非晶态金属结构的最满意的模型。这种位形可用来代表无规密堆积模型。,2.连续无规网络模型 以共价键结合的非晶态固体在二维空间的模型示意图,3.无规线团模型 以有机高分子为基础的非晶态固体的结构模型。,2.3 非晶态合金的制备,要获得非晶态，必须要有足够快的冷却速度(106K/s)，而用不同冷却技术制备非晶态合金形成过程又有较大的区别。制备方法大致可以分为三类： （1）由气相直接凝聚成非晶态固

5、体，如真空蒸发、溅射、化学气相沉积等，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一般只用来制备薄膜； （2）由液态快速淬火获得非晶态固体，这是目前最广的制备方法； （3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表面产生400um厚的非晶层。,2.4 非晶态合金的分类,（1）过渡金属与类金属元素（例如P、S、B、C等）形成的合金，例如Pd80Si20, Au75Si25, Fe80B20, Pt75P25等，一般类金属元素在合金含量约13%15%（原子比），实践证明，在二元合金中若加入某些第三种元素，更容易形成非晶态材料。 （2）过渡金属元素之间形成的合金，这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低，形成非晶态的成分范围较宽。例如：CuTi合金，Ti含量可在3370%之间; NiZr合金，Zr的含量可在3380%之间变化。 （3）含La系、Ac系元素的非晶态合金。,典型的非晶态合金： 1、铁基非晶合金；2、铁镍基非晶合金； 3、钴基非晶合金；4、铁基纳米晶合金（超微晶合金）,2.5 性能与应用,a.力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬度，强度远超过晶态高强度钢，f/E是衡量材料达到理论强度的程

6、度，一般金属晶态材料f/E约为1/500，而非晶态含量约为1/50，材料强度利用率大大高于晶态。另外，非晶态合金的抗疲劳度亦很高，如Co基非晶态合金可达1200MPa。但，非晶态合金的延伸率一般较低。已有突破！,非晶态合金机械性能,b. 非晶态固体的应用 非晶态固体与人们的生活有密切联系，如玻璃制成 的光导纤维、富Te和Ge-Te半导体玻璃以及软磁非晶 态合金（铁磁玻璃）等。另外如有机玻璃、各种塑料 和合成纤维、碳纤维等也都是非晶态有机聚合物的应 用。它们已经成了现代建筑、交通、通信工具等不可 替代的结构材料。 非晶态合金的应用：在高档录音、录像机中广泛应 用的高耐磨音频视频磁头。图书管或超市中的报警设施。,3.液晶液态晶体,晶态,液态,中间态,1888年Reinitzer，某些有机物熔化后，经历浑浊的液态， 再加热，透明液体,浑浊状液体的中间相具有和晶体相似的性质液晶,液晶即有液体的流动性又有晶体的某些各向异性,液晶中分子往往具有一维或二维的长程有序,分子运动：整个分子的平动、转动、 分子内某些单键内旋转引起的构象(conformation)变化,熔化熵：,分子有序：平动有序、转动有

7、序、构象有序,构象无序晶体：保留了大部分位置有序 和取向有序，只是构象无序,液 晶：液晶材料熔化时，取向分子序被保留，有序的流体,小分子液晶：液晶的分子一般为棒状或盘状 高分子液晶：常具有棒状或盘状单元的 介晶基团，显示出较大的链刚性。,中间相（meso phase）或 介晶（mesomorphic）,液晶的分类：,(1) 按形成条件分：, 热致性(thermotropic)：材料通过升温至熔点或玻璃化温度(Tg) 以上才进入液晶态., 溶致性(lytropic)：由符合一定结构要求的化合物与溶液组成的 液晶体系，由两种以上化合物组成,最常见：水和“双亲”性分子,双亲性分子(amhiphilic)：分子结构中既含有亲水的极性基团 也含有不溶于水的非极性基团,目前在技术中直接应用的液晶都是属于热致性液晶,(热变型),(溶变型),肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化剂溶液,(2) 按结构分类：, 近晶相液晶(smectic),位置有序，取向有序,形式：棒状分子的有序排列 引起的层状结构层型液晶, 向列相液晶(nematic),杆状分子广泛的平行排列，沿纵向容易移动,分子取向有序，位置无序,序参数,

8、偏光显微镜照片 (线形缺陷), 胆甾相液晶(cholesteric),向列相液晶的特例,分子分层排列，分子躺在层内，层与层平行,在每一层内，分子类似向列相，趋向平行排列,沿层的法线方向看，液晶基元的指向矢 连续转动形成螺旋,光学性质：圆偏振光的选择型反射 高旋光性,各层分子按周期性扭转,液晶的物理性质,(1) 光学性质,绝大多数液晶呈现光学各向异性，双折射性质,非常光折射率(ne)一般大于寻常光折射率(n0) 双折射率 随温度增加而减小,所有向列相与部分近晶相具有正单轴光学特性,胆甾型液晶中，n0 ne，为负单轴光学特性， 具有很强的旋光性,(1001000)o/mm,远远大于水晶 20o/mm,(2) 磁学和电学性质,液晶的抗磁磁化率具有明显的各向异性,向列相液晶在2000 Oe 以上磁场中，主方向会平行于磁场,胆甾相液晶在磁场中改变扭曲结构，发生旋光性与颜色的变化,向列相液晶的介电常数用 来表示,介电各向异性以 来表示，可正可负,对无偶极子材料,永久偶矩的横向分量强时,液晶的应用,液晶分子在流动的过程中分子轴的方向基本上是定向的 具有很小的弹性系数，折射率、磁化率、介电常数、扩散系

9、数 等方面有明显的各向异性,一般采用液晶薄膜，让液晶的分子轴与液晶盒表面平行或垂直,(1) 电光效应的应用,在液晶盒上加电压后，电场使液晶分子轴 旋转，最后与弹性力达到平衡,TN: Twisted Nematic，扭曲向列,扭曲向列型(TN)液晶,液晶光开关工作原理示意图,入射的自然光,偏振片P1,偏振片P2,出射光,扭曲排列的液晶分子具有光波导效应,光波导已被电场拉伸,(2) 热敏效应的应用,液晶的光学性质会随温度变化，可以用作温度显示,一些胆甾相液晶化合物温度改变1度， 可以显示出从红到蓝的不同颜色变化,液晶温度计,医学上诊断血流障碍、恶性肿瘤、炎症等 材料检测中可以探测工件内部缺陷和疵点 (探伤) 借助胆甾相显示层，可以将红外光辐射、超声波、微波等不可见的辐射变为可见,(3) 聚合物液晶的应用,信息存储，光学器件，海水淡化，离子交换,(4) 溶致液晶在高强度方面的应用,杜邦公司，Kevlar芳香聚合物纤维,具有高强度，可用作防弹衣及航天材料,溶液性抽丝工艺,小结,1）准晶具有准周期平移序，与非晶一样都是介稳定状态，可以通过快冷制备； 2）非晶的形成与制备，结构特征等； 3）液晶是液态与晶态之间的过渡态，大多出现于有机材料中；液晶的结构与分类、应用。,课堂讨论：,1：非晶态、准晶态和液晶的结构、性能以及应用。 2：液晶显示器、等离子体显示器的工作原理与区别。,

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