非晶、准晶和纳米晶在线视频

同学们

本小节我们学习

非晶 准晶和纳米晶的结构及性能特点

体系自由能最低

应当是材料的稳定状态

但是由于各种原因

材料会以高于平衡态时自由能的状态存在

处于一种非平衡的亚稳态

同一化学成分的原料

其亚稳态时的性能

不同于平衡态时的性能

亚稳态材料的某些性能

会优于其处于平衡态时的性能

因此 对材料亚稳态的研究

具有一定理论意义和实用价值

材料在平衡条件下只能以一种状态存在

而非平衡的亚稳态则可出现多种形式

常见的有以下几种类型

如细晶组织 高密度晶体缺陷组织

过饱和固溶体

发生非平衡转变

生成具有与原先不同结构的亚稳新相

以及非晶态组织等

首先我们来学习非晶态材料

非晶态材料中的原子或离子排列

并没有规律性和周期性的特征

如图所示

图a和b中圆点代表原子振动的平衡位置

图c中的圆点则表示

瞬时气体原子位置的状态

比较图 (a)和图 (b)可看出

非晶体在结构上与晶体本质的区别是

不存在长程有序结构

并且没有平移对称性

同时

非晶态中原子位置空间分布

不是完全无规则的

在图中可看到一种高度的局域关联性

每个原子有3个与其距离几乎相等的最近邻原子

并且键角也几乎相等

由此看来

非晶态与晶体同样具有高度的短程有序

而图(c)所示的气体原子

是一个真正的无规则排列状态

不存在短程有序结构

非晶态材料包括玻璃 非晶态半导体

非晶态金属 非晶态高分子聚合物

及无定形材料等

其中最为常见的就是玻璃

所谓玻璃

通常被定义为具有玻璃化转变温度的非晶态固体

在原子结构的尺度上

玻璃的结构像液体一样是长程无序的

玻璃是凝固下来的过冷液体

在形成玻璃后原子已经失去活动能力

因此玻璃保持了液体的长程无序结构

即在较大距离上不存在原子的周期排列

但是在0.1nm范围内

玻璃和液体类似

均存在短程有序结构

在凝固点附近的熔体黏度和冷却条件

是能否形成玻璃的重要条件

如果物质在熔点附近黏度很大

则凝固时容易形成玻璃

液体冷却时若要形成晶体结构

液态时无规则排列的原子或离子

必须要实现迁移和调整

先集聚形成小的结晶核心

然后晶核再继续长大

如果熔融液体的黏度很大

原子迁移和调整十分困难

则凝固后就会保留液态的结构

成为玻璃

材料黏度与键合类型密切相关

离子键结合的物质

由于熔融态时以单独的离子存在

实现迁移非常容易

故流动性很好 黏度很低

因此难以形成玻璃体

金属键结合的物质

熔融态以正离子状态存在

黏度最小

同样难以形成玻璃体

一般来说

只有极性共价键的化合物

在熔融状态下具有较复杂的链状

或层状结构的化合物

通常具有黏度大的特点

容易形成玻璃

冷却速率是能否形成玻璃的

另外一个重要因素

当冷却速率很大时

温度急剧下降

与温度成指数关系的黏度陡然上升

原子扩散受到抑制

来不及形成晶体核心

液态的非晶体结构可能保留下来

形成玻璃态固体

玻璃主要可以分为无机玻璃和金属玻璃

无机玻璃除了以二氧化硅作为网络形成体外

B₂O₃ P₂O₅ P₂O₃ AS₂O₃ Sb₂O₃ V₂O₅等氧化物

都可单独制成玻璃

金属玻璃是非晶态金属

它的主要成分是金属元素

但结构与玻璃类似

不是原子规则排列的晶体

而是无规则排列的玻璃态

不过金属玻璃不像普通玻璃那样脆

也不透明

金属玻璃在外观上和普通金属没有任何区别

具有金属光泽

甚至也可以弯曲

由于金属玻璃具有一些不同于晶态合金的力学

物理 化学性能

为了获得非晶态金属

最重要的是要有足够快的冷却速率

并冷到材料的再结晶温度以下

以抑制熔体的晶核的形成和长大

非晶态金属的制备方法可归纳为以下三类

第一类 由气相直接凝聚成非晶态固体

例如 真空蒸发 溅射 化学气相沉积等

第二类 由液态通过快速淬火获得非晶态固体

例如离心法 轧辊法等

第三类 由结晶材料通过辐照

离子注人 冲击波等方法也可制得非晶态材料

金属玻璃的综合机械性能比普通金属好得多

不但强度高 韧性也好

金属玻璃已作为增强纤维

用来制作轮胎 传送带 高压容器

高压管道等部件

金属玻璃由于是无序结构

没有晶粒 因而不存在各向异性

并且没有位错

晶界等结构缺陷

故磁导率 饱和磁感应强度高

而矫顽力 损耗都很小

具有优异的软磁特性

作为变压器材料

铁基金属玻璃在磁导率

激磁电流和铁损方面

都比目前广泛应用的硅钢要好

金属玻璃还具有优异的耐腐蚀性能

因为它的显微组织均匀

没有位错 晶界等缺陷

下面我们来看纳米晶的结构特点

自20世纪80年代以来

随着材料制备新技术的发展

人类开始研制出晶粒尺寸为纳米级的新材料

并发现这类材料不仅强度更高

其结构和各种性能都具有特殊性

引发了科学界和企业界的广泛关注

纳米材料是指

至少在一个方向上尺寸小于100nm的物质

一些科学家认为

纳米材料不同于晶态和非晶态

是物质的第三种形态

其种类很多

可分为金属 陶瓷 有机

无机以及复合纳米材料等

同时需要注意

纳米材料可能由晶体组成

也可能由非晶体组成

如图所示为纳米晶体材料的二维模型

黑色小球代表晶体内的原子

白色小球为界面处原子

不同取向的纳米尺度小晶粒

由晶界联结在一起

由于晶粒极微小

晶界所占的比例就相应地增大

若晶粒尺寸为5到10nm

按三维空间计算

晶界将占到百分之50的体积

其原子密度及配位数

远远偏离了完整晶体结构

因此纳米晶材料是一种非平衡态的结构

其中存在有大量的晶体缺陷

而纳米玻璃的组成相为非晶态

其微观结构如图所示

同样黑色小球为玻璃珠中的原子

而白色小球为界面层原子

纳米尺度的玻璃珠和界面层

共同组成了非晶纳米材料

纳米材料由于结构上和化学上

偏离正常多晶结构

所表现出的各种性能也有明显不同

纳米材料的特殊结构

使之产生四大效应

即小尺寸效应

量子效应 表面效应和界面效应

从而具有传统材料所不具备的物理

化学和力学性能

最后我们来学习准晶的概念

德国科学家在1850年

总结出晶体的平移周期性

即晶体中原子的三维周期排列方式

可以概括为14种空间点阵

晶体的旋转对称性只能有

1 2 3 4 6五种旋转轴

这种限制就像生活中

不能用正五角形拼满整张地图一样

晶体中原子排列也不允许出现

5次或6次以上的旋转对称性的

但是1984年中国 美国

法国和以色列等国家的学者

几乎同时在淬冷合金中发现存在5次对称轴

确证这些核心项是具有长程定向有序

但没有周期平移有序的一种封闭的正二十面体相

并称之为准晶体

在5次对称轴的准金以后

又陆续发现了具有

8次 10次 12次对称的准晶结构

5次对称性和准晶的发现

对传统晶体学产生了强烈的冲击

它为物质微观结构的研究增添了新的内容

为新材料的发展

开拓了新的领域

这节课我们就学习到这里