第五节非晶概述.ppt

§1－5非晶材料的结构和准晶态（structure of amorphous material and quasi-crystal） 一、 非晶材料的结构(structure of amorphous material ) 二、 准晶态(quasi-crystal state) 本节思路：简单介绍非晶材料的结构特征和准晶态的概念及准晶态的结构特点。 School of Physics， Northwest University §1－5非晶材料的结构和准晶态（structure of amorphous material and quasi-crystal） 一、非晶材料的结构(structure of amorphous material ) 1、 非晶态物质的短程序： 晶体最基本的特征是组成固体材料的原子（或分子、离子）在空间周期性地排列，即具有长程序。 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、松香、石蜡等。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定的熔点。所以有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。 非晶态物质的特点是不具有长程序。由于非晶物质也是一种凝聚态。因此在一个原子间距的范围内，原子的排列却有一定次序，例如有确定的配位数等，即具有短程序。 School of Physics， Northwest University Be2O3 Crystal and Glass of Be2O3 School of Physics， Northwest University 2、非晶材料的基本特点－－失去了长程序、保留短程序。 短程序包括 （1）近邻原子的数目和种类；（2）近邻原子之间的距离（键长）；（3）近邻原子配置的几何方位（键角）。 注意：短程序并不能完全地、唯一地确定非晶材料的结构，要确定非晶材料的结构还需要知道原子连接中的拓扑规律。 3、 研究非晶材料结构的基本实验方法－－用X射线、电子和中子衍射的方法测定非晶态材料的径向分布函数（简写为RDF）。径向分布函数是：以原子为球心，半径在r→r＋dr 球壳内的平均原子数，用 表示，ρ（r）代表距原子半径为r的球面上的原子密度，在非晶态材料中它是一个平均值，J（r）即为径向分布函数。 School of Physics， Northwest University 二、准晶态(quasi-crystal state): 1.数学游戏 晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴(相应的转角为2π/n)，不可能出现n=5和n6次的对称轴。这种抽象数学描述可以通过下图进行直观的描述，它们分别表示用平行四边形、长方形和正3-8多边形“元胞”铺平面空间， 1-4和6次旋转对称的图能够无间隙、不重叠地铺满整个平面空间，但5、7和8次对称的多边形不能够做到这一点。 School of Physics， Northwest University ? 进入20世纪，很多人对“非周期的平面铺砌”产生兴趣，所谓非周期铺砌是指铺砌的图形整体丧失平移对称性（没有长程序），但图形整体存在某种旋转对称性（取向序）。人们首先考虑的是如何拼出具有五次旋转对称性的平面图形，数学家起初证明要实现这个目的，必须用20426种不同现状的花砖！后来证明只需104种，1971年进一步减少到下图a的6种，1974年Penrose证明用72°和36°的两种菱形，按照一定的衔接规则就可以实现具有5次旋转对称的非周期铺砌，如下图b所示。 陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌，如图c的八次对称性和图d的十二次对称性。 School of Physics， Northwest University School of Physics， Northwest University 在兴趣驱动下，数学家还发展了多种能直接产生非周期铺砌的方法，比如，高维空间投影法，对偶方法，自相似膨胀法等等。1995年德国科学家提出覆盖理论，该理论设想用一种画有特殊图案的花砖（如图e所示的绿色边框十边形）实现非周期铺砌，这个理论结果后来被很多实验验证。 School of Physics， Northwest University 2、准晶态(quasi-crystal state)的发现 ? 1982年，两位主要从事航空用高强度铝合金研究的以色列科学家Shechtman和Blech（以色列人），他们在急冷AlMn合金中无意间发现五次