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準晶的壹些其他性質

(1)已知的準晶屬於二元或三元金屬間化合物,這是由準晶的配位二十面體的晶體化學特征決定的(見10.4節),不同原子之間的半徑比是關鍵。如果半徑比小於下限值0.902,配位二十面體就不會穩定存在;但如果太接近1,就會傾向於形成大球體的最緊密堆積,變成晶體。

(2)最先發現的準晶,如Al86Mn14,都是在高溫快速冷卻時形成的,只有在這樣的條件下,Al-Mn合金才能形成準晶;當它們被適當加熱時,它們會轉變成壹些結晶相。因此,準晶被認為是介於非晶態和晶態之間的壹種亞穩相。但後來發現Al6Li3Cu等準晶可以通過時效即在適當的高溫下保持壹定時間從過飽和固溶體中溶解出來,也可以通過緩慢過冷從合金熔體中凝固出來,其穩定區存在於相應平衡圖的400℃恒溫段。這些事實表明,這樣的準晶應該是熱力學穩定相,它們和晶體壹樣具有長程位置序和取向序,但不存在平移的周期性。

(3)準晶的長程取向序和準周期平移序是準晶中原子按準晶格定律有序分布的結果。所有的準晶都必須具有這種性質,具有這種性質的固體就是準晶。另外,準晶往往具有自相似性,但具有這種特征的固體不壹定是準晶;有些準晶可能不具有自相似性。所謂的自相似,就像是原圖和放大圖的關系。兩張照片的圖像、形態、朝向都是壹樣的,只是尺度不同。放大或縮小因子稱為自相似因子。例如,第10.3節中描述的兩個無公度線段L和S的順序假定為圖10.13的上壹行所示。如果將(L+S)和L分別替換為L '和S ',則下壹行中L '和S '的排序方式不變,只是線段長度放大了6543。

圖10.13自相似性的圖形表示(羅,2010)

(4)準晶和晶體壹樣,由於其中原子的空間分布而自適應,可以生長成規則的幾何多面體。快速冷卻條件下生成的準晶粒徑很小,壹般小於微米;但如果是固溶體溶解或從熔體中慢慢凝固,顆粒大小可以達到毫米級甚至厘米級。圖10.14是Al-Fe-Cu金屬間化合物準晶的單體,呈現明顯的規則五角十二面體生長形狀。準晶可能有42個幾何形狀不同的單形* * *。其中,屬於二十面體系統的三維準晶有8種,包括正五邊形十二面體、正三角形二十面體和菱形二十面體(參考圖10.7)。然而,眾所周知的C60分子足球烯的幾何形狀相當於準晶中的正五邊形十二面體和正三角形二十面體的多面體。其他34種單形屬於二維準晶,其特征與中間晶系晶體相似,包括柱狀、錐狀、雙錐狀、偏柱狀、偏柱狀、復柱狀、復錐狀、復雙錐狀等。,但它們被分為五邊形、八邊形、十邊形和十二邊形,只有更高階的軸不同。

圖10.14顯示了Al-Fe-Cu金屬間化合物準晶在穩定相的規則五角十二面體生長(據蔡安邦等,1987)。

(5)準晶是在開發新合金材料的過程中首次發現的。通常這類工作是先設定目標,然後根據晶體化學原理設計配方和工藝,以獲得具有預期特性的新產品。例如,航空航天技術的發展需要重量輕、機械強度高的新型鋁合金材料,而鋁合金強化的途徑之壹就是在鋁合金固溶體中溶解更多的Mn等過渡元素。但是,Mn在Al中的固溶度很低,即使達到最大值也小於1% Mn原子。為此采用了非常規工藝,使Al-Mn熔體以極高的冷卻速度(冷卻速度可高達每秒104 ~ 106攝氏度)快速凝固,從而迫使高達10%的Mn原子保留在固溶體中,大大強化了鋁合金的機械強度。歷史上第壹顆準晶就是在這種背景下被發現的。所以壹般來說,已知的準晶往往具有壹些不尋常的物理性質,包括機械強度高、密度低、耐高溫、摩擦系數低、粘度低、化學穩定性好等。即使它們屬於金屬間化合物,但它們可以具有接近絕緣體的電學和熱學性質,等等。總之,準晶在理論和應用上都具有重要的意義和作用。

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