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单晶,多晶,微晶,非晶,准晶,纳米晶,孪晶

要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。我想

学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚。

自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态（此处指一

般物质，未包括“第四态”等离子体——成锡注）。固体又可分为两

种存在形式：晶体和非晶体。晶体是经过结晶过程而形成的具有规则

的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复

的排列。

晶体共同特点：

均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温

度。

规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为：

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，

230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。可参考《晶体学中

的对称群》一书（郭可信，王仁卉著）。

与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固

体叫非晶，如玻璃，非晶碳。一般，无定型就是非晶，英语叫

amorphous，也有人叫glass(玻璃态）。

晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个

概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，

这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，

所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而

且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。

英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。

有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取

向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参

数。对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能（力学性能）越好，

好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂，所以很多冶金学

家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。

科学总是喜欢极端，看得越远的镜子叫望远镜；看得越细的镜子

叫显微镜。晶粒度也是这样的，很小的晶粒度我们喜欢，很大的我们

也喜欢。最初，显微镜倍数还不是很高的时候，能看到微米级的时候，

觉得晶粒小到微米数量就是非常小的了，而且这个时候材料的力学性

能特别好。人们习惯把这种小尺度晶粒叫微晶。然而科学总是发展的，

有一天人们发现如果晶粒度再小呢，材料性能变得不可思议了，什么

量子效

应，隧道效应，超延展性等等很多小尺寸效应都出来了，这就是

现在很热的，热得不得了的纳米，晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒

我们叫纳米晶。

再说说非晶，非晶是无规则排列，无周期无对称特征，原子排列

无序，没有一定的晶格常数，描叙结构特点的只有径向分布函数，这

是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数，我们总可以知道面

间距的统计分布情况吧。非晶有很多诱人的特性，所以也有一帮子人

在成天做非晶，尤其是作大块的金属非晶。因为它的应力应变曲线很

特别。前面说了，从液态到到固态有个成核长大的过程，我不让它成

核呢，直接到固态，得到非晶，这需要很快的冷却速度。所以各路人

马一方面在拼命提高冷却速度，一方面在不断寻找新的合金配方，因

为不同的合金配方有不同的非晶形成能力，通常有Tg参数表征，叫玻

璃化温度。非晶没有晶粒，也就没有晶界一说。也有人曾跟我说过非

晶可以看成有晶界组成。那么另一方面，我让它成核，不让它长大呢，

不就成了纳米晶。

人们都说，强扭的瓜不甜，既然都是抑制成核长大，那么从热力

学上看，很多非晶，纳米晶应该不是稳态相。所以你作出非晶、纳米

晶了，人们自然会问你热稳定性如何。

后来，又有一个牛人叫卢柯，本来他是搞非晶的，读研究生的时

候他还一直想把非晶的结构搞清楚呢（牛人就是牛人，选题这么牛，

非晶的结构现在人们还不是很清楚）。他想既然我把非晶做出来了，

为什么我不可以把非晶直接晶化成纳米晶呢，纳米晶热啊，耶，这也

是一种方法，叫非晶晶化法。

既然晶界是一种缺陷，缺陷当然