准晶体其他性质之点滴

如题所述

(1)已知的准晶体都属于二元或三元的金属间化合物(intermetallic compound,亦称金属互化物),这是由准晶体之配位二十面体的晶体化学特性所决定的(见10.4节),而不同原子间之半径比值的大小则是其关键。若半径比小于下限值0.902时,配位二十面体将无法稳定存在;但若过于接近1时则会趋于形成等大球体的最紧密堆积而成为晶体。

(2)最早发现的Al86Mn14等准晶体都是在高温下急速冷却时生成的,而且Al-Mn合金也只有在这样条件下才能生成准晶体;当对它们再适当加热时则转变成为一些晶体相。据此,准晶体被认为是介于非晶态与晶态之间的一类亚稳相。但此后发现,诸如Al6Li3Cu等准晶体既可以通过时效处理(ageing)、亦即在适当的高温下保持一定时间而使之从过饱和固溶体中出溶析出,也可以从合金熔体中通过缓慢地过冷却而凝固产出,其稳定区存在于相应平衡图的400℃恒温截面中。这些事实说明,这样的准晶体应是热力学的稳定相,它们与晶体一样也具有长程的位置有序和取向有序,只是不存在平移的周期性。

(3)准晶体的长程取向有序性以及准周期平移有序性,都是其内部原子按准晶格规律作有序分布的结果。凡准晶体都必有这样的性质,而具有这样性质的固体便是准晶体。此外,准晶体还常具有自相似性,但具有这一特性的固体并非必为准晶体;有些准晶体也可能不具自相似性。所谓自相似性(self-similarity)犹如原照和放大照片间的关系,两者的形象或形式以及取向都一致,但尺度有所不同,其放大或缩小的倍数称为自相似因子。例如10.3节中所述取向有序性之L、S两种无公度线段之排序,设如图10.13上行所示,若以L'和S'分别取代其中的(L+S)和L时,所得下行中L'与S'的排序方式并不改变,仅线段长度放大了1.618倍。

图10.13 自相似性的图解表示(罗谷风,2010)

(4)准晶体由于其内部原子的空间分布构成准点阵结构,因而它与晶体一样也具有自范性,能自发生长成规则几何多面体的外形。在急冷条件下生成的准晶体其粒径非常小,一般小于微米;而由固溶体出溶或从熔体中缓冷凝固而成者,则粒径可达毫米甚至厘米级。图10.14便是Al-Fe-Cu金属间化合物准晶体的一个单体,呈明显的正五角十二面体生长形。准晶体所可能有的几何学上不同的单形共有42种。其中属于二十面体系三维准晶体的有8种,包括正五角十二面体、正三角二十面体、菱形三十面体(参照图10.7)等;而大家熟知的C60分子足球烯的几何形状则相当于准晶体中正五角十二面体与正三角二十面体的聚形。另34种单形都属于二维准晶体,它们的特征与中级晶族晶体的单形类同,有柱、锥、双锥、偏方面体、偏三角面体以及复柱、复锥、复双锥等,但随唯一高次轴的轴次不同而区分为五方、八方、十方和十二方的。

图10.14 呈稳定相之Al-Fe-Cu金属间化合物准晶体的正五角十二面体生长形(据蔡安邦等,1987)

(5)准晶体是人们在研发新型合金材料过程中首次发现的。通常此类工作都是首先设定目标,然后根据晶体化学原理来设计配方和工艺,以冀能够获得具有预期特性的新产品。例如航天航空技术的发展亟须重量轻而机械强度高的Al合金新材料,而使Al合金强化的途径之一是在Al合金固溶体中溶入更多的诸如Mn等过渡元素。可是Mn在Al中的固溶度非常低,即使在达到最大值时也还不到1%的Mn原子。为此采用了非传统工艺,使Al-Mn熔体在极其巨大的冷却速度下(其冷却速率可高达104~106摄氏度每秒)急冷凝固,从而迫使高达10%的Mn原子留存于固溶体内,大大强化了Al合金的机械强度。也正是在此背景下,才发现了历史上的首个准晶体。所以一般说来,已知的准晶体往往都具某些不同寻常的物理性能,包括机械强度高,密度小,耐高温,摩擦系数低,黏度小,化学稳定性好,甚至虽然属于金属间化合物,却可以具有近于绝缘体的电学和热学性质,等等。总之,无论在理论上还是应用上,准晶体都具有重大的意义和作用。

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