学文网摘要：准晶自发现并提出以来，一直是材料科学界所研究和关注的热点。作为一种新兴材料，准晶的研究价值也是不言而喻的。了解准晶的最新研究现状对于即将从事准晶研究或已经从事准晶研究的科研者具有极其重要的意义。本文通过查阅各种文献资料，对准晶的结构和准晶的分类进行了综合介绍，对准晶形成机制的研究现状进行了系统描述，对目前准晶的制备方法做了一一说明。
关键词：准晶；形成机制；新兴材料。
The Present Status of Quasi-crystalline Researching
Xiongtao1，Wsangshisen1，Lidefa1，Hongjun3，Liangbaozhu3
（1.Reseach and Development Center of Wuhan Iron and Steel （Group） Corp，Wuhan City 430081，Hubei Province；2.Wuhan University of Science and technology， Wuhan City 430082，Hubei Province；3.Reseach and Development Center of Echeng Iron and Steel Corp，Ezhou City 436002，Hubei Province）
It was a thermal dam of researching and noticing in material science field after quasi-crystalline had been discovered. As a newly material， the exploring value of quasi-crystalline will be tremendous. It will be momentous significant for scientific personnel of quasi-crystalline researching that you should know the latest status of quasi-crystalline researching. This article mainly introduced comprehensively the sort and the structure of quasi-crystalline，described systemically the present status of formed machine-made of quasi-crystalline and illuminated detailedly the present preparation method of quasi-crystalline through consulting all kinds of literature .
Abstract： quasi-crystalline； formed machine-made； newly material.
1引言
准晶于1984年被以色列材料科学家谢切曼（Shechtman）等人[1]在急冷凝固A1-Mn合金中首次发现，是周期结构与无序结构之间的一类金属间化合物；准晶同超导体一道被列为20世纪80年代凝聚态物理两大重大进展，至今仍然被认为是该领域的科学前沿，它们不仅带来了传统晶体学的一场***，而且对材料科学的各个领域产生深远影响[2]。准晶兼有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的特殊结构，具有低表面能[3]、高硬度[4]、低摩擦系数[5]、低热导率[2]、抗氧化[6]、耐腐蚀[7]等特殊性能。但是，准晶材料固有的高脆性，使其难以加工成形，不适合作为结构材料使用。因此，准晶材料的应用必须首先考虑如何克服脆性和疏松，不外乎采取在基体材料上镀准晶膜和做成复合材料两种方法[2]，而其的应用方向也是呼之欲出。
2.1准晶的结构[8]
准晶的概念是相对于晶体提出的，在准晶发现之前，人们通常认为固态物质仅有两种形态，即晶体和非晶体。前者的结构可用一个结构单元的周期性排列来描述；后者则结构无长程有序，不存在任何对称性，仅有近程有序性。晶体的周期性限制了可能的对称操作。
如***1．1所示[2]，作用于A点的对称操作将B移到B’， 转角为a，再次施加该操作又生成B’’点。A、B、B’和B’’均为等效点，它们位于同一个周期点阵上。如以A为原点，矢量■为一个基轴，即■，则有■。后者可以表述为■，因为A、B、B’和B’’为位于晶体中同一个周期点阵上的等效点，所以必须满足2cosα为一个整数m，那么m/2的取值只能为-1、-1/2、0、1/2和1，对应的α为π、2π/3、π/2、π/3和0，因此晶体点阵可能的对称轴次依次为二次、三次、四次、六次和一次。五次对称和高于六次的对称性不可能在晶体点阵中存在。
但是，Shechtrnan等人[l]从急冷凝固的A1-Mn合金组织中观察到具有五次对称的单晶电子衍射***谱，并且衍射点呈非周期排布，如***1．2所示。
***1.2中五次、三次和二次对称的电子衍射***清楚地表明了这种相的空间二十面体对称性，而且斑点明锐，反映出结构的长程有序性；但五次对称的结构又与传统的晶体学理论相悖，因此可知，它既不是晶体，也不是非晶体，必须用全新的概念来描述。这种结构被称为准周期晶体，译自英文Quasi-periodic Crystal，简称为准晶体（Quasicrystal）。其定义为：准晶是同时具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相。准周期性和非晶体学对称性构成了准晶定义的两个核心。
准晶的基本特征是准周期性和非晶体学对称性。但是准周期性并非准晶所独有，非晶体学对称性实际上是准晶最典型的特征。非晶体学对称性要求非周期性结构，但非周期性结构不一定是准晶。这在本质上反映了取向序，即联系相邻原子或原子团的键有长距离取向一致性，准晶的特殊结构引起了人们的注意[9]。
3 准晶材料的性能特点
3.1 导电特性。
1）相对于普通的金属间化合物而言，热力学稳定的准晶材料的电阻率异常的高。如对于全部由非过渡元素族组成的准晶相 A1-Cu-U，其在液氮温度时的电阻率为 900μΩcm。相比之下，对于含有过渡元素族的准晶相，其电阻率则更高。如Al-Cu-Ru准晶在相同温度下的电阻 率为1000～30000μΩcm，A1-Cu-Fe准晶为1300—11000μΩcm，A1-Pd-Mn为1000—9500μΩcm。 A1-Pd-Re甚 至 高 达 4000～2800μΩcm。
2）准晶材料的电阻率随着温度的升高而下降，即具有负的温度系数。
3）电阻率对准晶合金成分和结构完整程度十分敏感。样品的质量越好 ，电阻率就越大。
4）对于二维的十次准晶，其周期方向的电阻率，比准周期方向的电阻率要小75％～95％，显示出很强的各向异性[13]。
3.2 热传导性能
准晶的热传导性能与导电性能有些类似，即低的导热率和负温度系数，接近陶瓷的隔热性能，与普通合金的性能截然不同。由于准晶的电子传输过程与组成它的金属原子不一样，准晶的热导系数很小，比不锈钢低一个数量级。准晶的热传导性随温度的上升而增加，例如 Al-Cu-Fe准晶在800℃的热扩散系数为 1.2mm2/s，但这仍然很低，接近常见的隔热材料氧化锆，可以用做隔热材料，如热障涂层。与传统的隔热材料相比较，准晶材料具有密度低、耐摩擦、耐腐蚀和抗氧化等优点，很适合作为保温材料，在飞机和汽车的发动机部件上，有潜在的应用价值[14]。
3.3 光传导特性
1）与普通的金属材料相比，结构完好的准晶样品的光传导特性，显得非常特殊，在较低的频率范围内，准晶的光导率很小，且在104cm-1时有很宽的峰值。
2）在二维的准晶材料中，光导率对其结构的各向异性很敏感。
4 准晶的应用
准晶被誉为20世纪80年代凝聚态物理的两大重大进展之一（另一为超导），曾经耀眼一时，但准品的知名度远不如同一时期发现的超导材料，关键在于其直用前景远不及当设想的那 么光明。准晶室温下硬而脆，不能用作结构材料。这在很大程度上限制了其在工程上的应用。但准品具有优异的表而性能、高硬度、高温稳定等性能，如果能够利用准晶的这些独特性能，将其用于表面材料、合金增强相等，为准晶材料的应用开辟新途径。
4.1 不粘锅涂层
准晶坚硬与不粘的特性最早被利用于烹饪器具的涂层，第一个准晶应用的专利——不粘锅涂层于1988年在法国诞生。不粘锅涂层通常是利用喷涂技术将Al-Cu-Fe准晶颗粒沉积到基体上，并形成一个均匀薄膜。由于同时加入了Cr等合金元素，因此该薄膜除具有较低的表面能，即具有优良的不粘性能外，还具有优良的耐蚀性、耐高温性（可承受750℃高温）、高的硬度（是不锈钢硬度的2倍以上）和高的耐磨性。准晶涂层导热性差，在升温的初期涂层犹如一层绝热层，使底部积聚的热量均匀地扩散至整个表面而不会产生局部过热，烹饪结束又能使热量在锅中均匀地保持一段时间，完全符合食品烹饪要求。所以，准晶涂层不粘锅的出现 ，显示了取代传统的耐磨性差、使用寿命短的聚四氟乙烯涂层 （Teflon）不粘锅的趋势。据《中国对外贸易》2000年9月的报道，至20世纪末仅法国SNMI公司每月就要生产3万件准晶不粘涂层产品 （以煎锅为主），且随着生产技术的提高和市场的不断扩大，产量将会进一步提高 ，并不断推出新产品（如烤肉架等）。
4.2 热障涂层
与航空发动机常用的隔热材料锆钇氧化物及其它隔热材料相比，准晶涂层具有密度低、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化、使用温度高及易于制造等优点，因而能满足多种场合下的隔热要求。其形成方法也是利用喷涂技术在基体表面形成 一层准晶薄膜。目前准晶热障涂层已在飞机和汽车发动机等部件中得到应用。
4.3 太阳能选择吸收薄膜
准晶本身并不具备光的选择吸收特性，但准晶薄膜与高反射材料组成的多层结构材料，如“铜/绝缘体/准晶/绝缘体”对太阳光却具有选择吸收的特性。由此构成的绝缘体/准 晶/绝缘体多层膜具有很高的热吸收率和很低的热发射率，与现有的工业化材料相比，虽然它们的热吸收率略有降低，但热发射率却要低得多。这些理论和实验的结果，使人们对准晶制作太阳能选择吸收装置产生了极大的兴趣。
4.4 准晶复合材料
准晶弥散强化的特性，正在逐渐走向实用。本文前面提及的AI-Cu-Fe准晶颗粒/Al基复合材料已被用作轻质中温高强、高韧结构材料；由准晶弥散强化的低碳马氏体时效超高强度 钢（硬度730HV，抗拉强度接近3000MPa），则可望应用于医疗器械材料。Inoue等获得的由纳米尺度的AI-Mn-La、AI-Cr-La准晶颗粒增强的Al基合金，因具有优良的弯曲性能和高达 l200～1400MPa的弯曲强度，而有望应用于航空工业[15]。
5 结论与展望
准晶和其类似相是一群极特殊的Hume-Rothery相，其伪Brillouin区为接近Fermi球面的多面体，因而产生强烈的相互作用，这种特性影响到该种材料的各种行为，如形成过程、与类似相的关系等等。因此，这方面理论和实验研究仍然是热点之一更重要的发展趋势是应用研究。同普通Al基金属间化合物相比，准晶材料（包括类似相合金）同时具有良好的力学和电、热性能。以高硬度、不粘和弱导电导热为代表的性能指标为准晶的应用开辟了广阔前景。关 键是要克服脆性大的弱点。可采取制成表面膜或整体复合材料两个途径来克服这个困难。从上述准晶应用可以看到准晶涂层已经成功地被用在不粘锅上而取代了不耐用的Telfon。此外 ，它作 为热障膜而为汽车。航空业所重视，是近期内最可能有突破性进展的方向之一。 日前进行中的项目还有：发动机内壁涂层和塑料模具等等。对整体准晶复合材料的应用研究 尚在起步阶段，前景广阔，如作为活塞材料等。准晶，正如上面所介绍的特殊的结构和性能，作为一种新兴材料，具有较好的应用前景。
参考文献
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作者简介：
熊涛（1982-），男，汉族，工程师，硕士研究生学历，毕业于武汉科技大学材料加工工程专业，现在从事中厚板产品开发。工作单位：武钢研究院。