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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,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·K之间,AlCuTm(Tm=Mn、Fe、Cr)准晶体

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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/K)可知,准晶的脆性较大,是陶瓷材料的4倍以上。进一

IC

步的研究表

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