准晶非晶和液晶课件

2-3 2-3 准晶、非晶和液晶准晶、非晶和液晶精选ppt12-3 准晶、非晶和液晶精选ppt12024/7/1022-3 2-3 准晶、非晶和液晶准晶、非晶和液晶准晶体、非晶体、液晶、准晶体、非晶体、液晶、等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚等物质的其它聚集形态精选ppt22023/8/1322-3 准晶、非晶和液晶准晶体、非晶体、晶体：周期性、对称性？精选ppt3晶体：周期性、对称性？精选ppt32024/7/1041984年中国、美国、法国和以色列（以色列（schechmanschechman，19821982）等国家的学者几乎同时在淬冷合金中发现了存在有5 5次次对称轴，确证这些合金相是具有长程定向有序，而没有周期平移有序的一种封闭的正20面体相，并称之为准晶体。以后又陆续发现了具有8 8次、次、1010次、次、1212次次对称的准晶结构。目前在自然界中还没有发现准晶体。准晶的发现准晶的发现一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使其具有潜在的应用价值。1.1.准晶体准晶体精选ppt42023/8/1341984年中国、美国、法国和以色列（精选ppt5精选ppt52024/7/106五次对称性准晶对称的鱼五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究二十面体准晶精选ppt62023/8/136五次对称性准晶对称的鱼五次对称性及Ti-准晶态的结构特征准晶态的结构特征1974年，数学家Penrose提出用两种四边形，夹角分别为：7272o o、7272o o、144144o o、7272o o3636o o、7272o o、3636o o、216216o o可以将平面铺满，不留空隙这种图形具有5次对称性彭罗斯铺砌的四边形是将一个菱形切开而得到的：风筝风筝飞镖飞镖精选ppt7准晶态的结构特征1974年，数学家Penrose提出用两种四精选ppt8精选ppt8所得图形到处呈现所得图形到处呈现5 5次对称性，但没有平移周期性次对称性，但没有平移周期性当沿图中任一轴看去，阵点距离都是1和并且图中任何一个有限部分均可在整体中其他区域找到Penrose图形：图形：长程取向有序，长程取向有序，非周期性的长程有序非周期性的长程有序准晶准晶：准周期性平移序和准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相非晶体学旋转对称性的固态有序相精选ppt9所得图形到处呈现5次对称性，但没有平移周期性当沿图中任一轴看准晶态的种类准晶态的种类按准晶的成分来分：二元、三元、四元等多元合金二元合金二元合金三元合金三元合金四元合金四元合金五次对称Al-Mn，Al-Fe，Al-Cr，Al-Li-Cu，T-V-Ni，Al-Mg-Zn-CuAl-V，Al-Re，Al-Ru，U-Pd-Si，Al-Mn-Si，Al-Li-Cu-MgAl-Mo，Mg-Cu，Fe-TiAl-Cu-Mg，Al-Fe-Si，Al-Cr-Si-MnV-Ni-Si，Mn-Ni-Si，Ti-NiAl-Cr-Ru，Al-Mg-ZnAl-Fe-Cu八次对称Cr-Ni-Si，V-Ni-Si，Mn-Si-Fe十次对称Al-Fe，Al-Mn，Ni-Zr，V-Ni-SiAl-Pd十二次对称Ni-CrTi-Ni郭可信郭可信张泽张泽Al-Li-Cu麦振洪麦振洪李方华李方华精选ppt10准晶态的种类按准晶的成分来分：二元、三元、四元等多元合金二元准晶的制备：准晶的制备：急冷甩带法；锤淬法：熔融金属，汽锤敲击 任何用于制备亚稳定合金相的方法 (离子束混合，离子注入，气相沉积，急速加压，电子束)长期时效(常规合金制备方法)准晶的尺寸小，介稳定状态，性质测量困难，不系统，不统一精选ppt11准晶的制备：准晶的尺寸小，介稳定状态，性质测量困难，不系统，1.室温下硬而脆，大块准晶性能接近陶瓷2.在高温下具有类似超塑性的极高塑性3.高硬度、耐摩擦性能及不粘性准晶的物理性质：准晶的物理性质：力学性能：力学性能：Al-Pd-Mn-B磁性能：磁性能：电阻率异常高，结构越完整电阻率越高负的温度系数，随温度升高电阻率下降电阻率对材料成分和结构十分敏感，质量越差，电阻率越小电性能：电性能：精选ppt12室温下硬而脆，大块准晶性能接近陶瓷准晶的物理性质：力学性能：准晶图案-赏析：精选ppt13准晶图案-赏析：精选ppt13精选ppt14精选ppt14精选ppt15精选ppt152009，SCIENCEkhatyrkite的岩石自然界中的准晶 精选ppt162009，SCIENCEkhatyrkite的岩石自然界中2.2.非晶体非晶体 长期以来，提到合金指的就是晶态合金。提到非晶态，指的是玻璃态的硅酸盐。上个世纪六十年代，非晶态合金的出现，改变了这种情况。60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，用快速冷却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材料，获得很快发展。精选ppt172.非晶体 长期以来，提到合金指的就是晶态合金。2.1 2.1 非晶态合金的结构特征非晶态合金的结构特征 非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。而非晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更远的原子是无序的。从X射线衍射强度图可以看出，晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分布函数来表征非晶态合金结构。精选ppt182.1 非晶态合金的结构特征 非晶态合金与晶态合精选ppt19精选ppt19非晶的特性非晶的特性：非晶合金具有比普通金属更高的强度。非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀能力。非晶态合金是均匀的多元固溶体，不存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有利于抗化学腐蚀。精选ppt20非晶的特性：精选ppt202.2 2.2 非晶态的形成非晶态的形成1）抑制熔体中的形核和长大抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构2）使非晶态亚稳结构在一定温度范围内一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化3）在晶态固体中引入或造成无序晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变为非晶态精选ppt212.2 非晶态的形成1）抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构液态金属的凝固液态金属的凝固液态金属冷却过程中，粘滞系数逐渐增大，到达熔点Tm时，发生突变结成固态金属或合金；当快速凝固时，在低于Tm温度下，金属仍保持液态，成为过冷液体（亚稳态），其自由能高于晶态金属，原子在短时间内重排，结构弛豫，变成平衡亚稳态；当液体温度降至Tg，粘滞系数成数量级的突变，成为非平衡态的亚稳固体。冷却速度越高，冷却速度越高，TgTg越高，越有利于越高，越有利于非晶态材料的形成非晶态材料的形成精选ppt22液态金属的凝固液态金属冷却过程中，粘滞系数逐渐增大，到达熔点非晶态固体的结构可以用三种不同的模型来描述，它们分别是无规密堆积模型、连续无规网络模型和无规线团模型。1.1.无规密堆积模型无规密堆积模型右图是描述非晶态金属结构的最满意的模型。这种位形可用来代表无规密堆积模型。精选ppt23非晶态固体的结构可以用三种不同的模型来描述，它们分别是无规密2.2.连续无规网络模型连续无规网络模型以共价键结合的非晶态固体在二维空间的模型示意图3.3.无规线团模型无规线团模型以有机高分子为基础的非晶态固体的结构模型。精选ppt242.连续无规网络模型3.无规线团模型精选ppt242.3 2.3 非晶态合金的制备非晶态合金的制备 要获得非晶态，必须要有足够快的冷却速度(106K/s)，而用不同冷却技术制备非晶态合金形成过程又有较大的区别。制备方法大致可以分为三类：（1）由气相直接凝聚成非晶态固体，由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、化学气相沉积等，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；（2）由液态快速淬火获得非晶态固体由液态快速淬火获得非晶态固体，这是目前最广的制备方法；（3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表面产生400um厚的非晶层。精选ppt252.3 非晶态合金的制备 要获得非晶态，必须要有足够2.4 2.4 非晶态合金的分类非晶态合金的分类（1）过渡金属与类金属元素（例如过渡金属与类金属元素（例如P P、S S、B B、C C等）形成的合金等）形成的合金，例如Pd80Si20,Au75Si25,Fe80B20,Pt75P25等，一般类金属元素在合金含量约13%15%（原子比），实践证明，在二元合金中若加入某些第三种元素，更容易形成非晶态材料。（2）过渡金属元素之间形成的合金，过渡金属元素之间形成的合金，这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低，形成非晶态的成分范围较宽。例如：CuTi合金，Ti含量可在3370%之间;NiZr合金，Zr的含量可在3380%之间变化。（3）含含LaLa系、系、AcAc系元素的非晶态合金系元素的非晶态合金。典型的非晶态合金：典型的非晶态合金：1、铁基非晶合金；2、铁镍基非晶合金；3、钴基非晶合金；4、铁基纳米晶合金（超微晶合金）精选ppt262.4 非晶态合金的分类（1）过渡金属与类金属元素（例如P、2.2.5 5 性能与应用性能与应用a.a.力学性能：力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬度，强度远超过晶态高强度钢，f/E是衡量材料达到理论强度的程度，一般金属晶态材料f/E约为1/500，而非晶态含量约为1/50，材料强度利用率大大高于晶态。另外，非晶态合金的抗疲劳度亦很高，如Co基非晶态合金可达1200MPa。但，非晶态合金的延伸率一般较低。已有突破！已有突破！精选ppt272.5 性能与应用a.力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬 非晶态合金机械性能合金合金硬度硬度HvHv(N/mm2)(N/mm2)抗拉强度抗拉强度(N/mm(N/mm2 2)延伸率延伸率(%)(%)弹性模量弹性模量E(N/mmE(N/mm2 2)E EH H/f fFeFe8080B B20201058010580340034001.7101.7105 50.0200.0200.320.32FeFe8080P P1313C C7 774507450304030400.030.031.2101.2105 50.0250.0250.250.25CoCo7373SiSi1515B B121289208920300030000.9100.9105 50.0340.0340.300.30NiNi7878SiSi1010B B121284308430245024500.8100.8105 50.0310.0310.350.35CuCu8080ZrZr202040204020186018600.220.22NbNb5050NiNi5050875087501.3101.3105 5精选ppt28 非晶态合金机械性能合金硬度Hv抗拉强度延伸率弹性模量Eb.b.非晶态固体的应用非晶态固体的应用非晶态固体与人们的生活有密切联系，如玻璃制成的光导纤维、富Te和Ge-Te半导体玻璃以及软磁非晶态合金（铁磁玻璃）等。另外如有机玻璃、各种塑料和合成纤维、碳纤维等也都是非晶态有机聚合物的应用。它们已经成了现代建筑、交通、通信工具等不可替代的结构材料。非晶态合金的应用：在高档录音、录像机中广泛应用的高耐磨音频视频磁头。图书管或超市中的报警设施。精选ppt29b.非晶态固体的应用精选ppt293.3.液晶液晶液态晶体液态晶体晶态液态中间态 1888年Reinitzer，某些有机物熔化后，经历浑浊的液态，再加热，透明液体浑浊状液体的中间相具有和晶体相似的性质液晶液晶即有液体的流动性又有晶体的某些各向异性液晶中分子往往具有一维或二维的长程有序精选ppt303.液晶液态晶体晶态液态中间态 1888年Reinit分子运动：整个分子的平动、转动、分子运动：整个分子的平动、转动、分子内某些单键内旋转引起的构象分子内某些单键内旋转引起的构象(conformation)(conformation)变化变化 熔化熵：分子有序：平动有序、转动有序、构象有序分子有序：平动有序、转动有序、构象有序构象无序晶体：保留了大部分位置有序 和取向有序，只是构象无序精选ppt31分子运动：整个分子的平动、转动、熔化熵：分子有序：平动有序、液液 晶：液晶材料熔化时，取向分子序被保留，有序的流体晶：液晶材料熔化时，取向分子序被保留，有序的流体小分子液晶：液晶的分子一般为棒状或盘状高分子液晶：常具有棒状或盘状单元的介晶基团，显示出较大的链刚性。中间相（meso phase）或 介晶（mesomorphic）精选ppt32液 晶：液晶材料熔化时，取向分子序被保留，有序的流体小分子液晶的分类：液晶的分类：(1)按形成条件分：热致性热致性(thermotropic)：材料通过升温至熔点或玻璃化温度(Tg)以上才进入液晶态.溶致性溶致性(lytropic)：由符合一定结构要求的化合物与溶液组成的 液晶体系，由两种以上化合物组成最常见：水和“双亲”性分子双亲性分子(amhiphilic)：分子结构中既含有亲水的极性基团 也含有不溶于水的非极性基团目前在技术中直接应用的液晶都是属于热致性液晶(热变型)(溶变型)肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化剂溶液精选ppt33液晶的分类：(1)按形成条件分：热致性(thermot(2)按结构分类：按结构分类：近晶相液晶近晶相液晶(smectic)位置有序，取向有序位置有序，取向有序形式：棒状分子的有序排列 引起的层状结构层型液晶精选ppt34(2)按结构分类：近晶相液晶(smectic)位置有 向列相液晶向列相液晶(nematic)杆状分子广泛的平行排列，沿纵向容易移动分子取向有序，位置无序取向有序，位置无序序参数偏光显微镜照片(线形缺陷)精选ppt35 向列相液晶(nematic)杆状分子广泛的平行排列，沿纵 胆甾相液晶胆甾相液晶(cholesteric)向列相液晶的特例分子分层排列，分子躺在层内，层与层平行在每一层内，分子类似向列相，趋向平行排列沿层的法线方向看，液晶基元的指向矢 连续转动形成螺旋光学性质：圆偏振光的选择型反射 高旋光性各层分子按周期性扭转各层分子按周期性扭转精选ppt36 胆甾相液晶(cholesteric)向列相液晶的特例分子液晶的物理性质液晶的物理性质(1)光学性质绝大多数液晶呈现光学各向异性，双折射性质双折射性质非常光折射率(ne)一般大于寻常光折射率(n0)双折射率 随温度增加而减小所有向列相与部分近晶相具有正单轴光学特性具有正单轴光学特性胆甾型液晶中，n0 ne，为负单轴光学特性，具有很强的旋光性(1001000)o/mm远远大于水晶 20o/mm精选ppt37液晶的物理性质(1)光学性质绝大多数液晶呈现光学各向异性，(2)(2)磁学和电学性质磁学和电学性质液晶的抗磁磁化率具有明显的各向异性液晶的抗磁磁化率具有明显的各向异性向列相液晶在2000 Oe 以上磁场中，主方向会平行于磁场胆甾相液晶在磁场中改变扭曲结构，发生旋光性与颜色的变化向列相液晶的介电常数向列相液晶的介电常数用 来表示介电各向异性以 来表示，可正可负对无偶极子材料永久偶矩的横向分量强时精选ppt38(2)磁学和电学性质液晶的抗磁磁化率具有明显的各向异性向列液晶的应用液晶的应用液晶分子在流动的过程中分子轴的方向基本上是定向分子轴的方向基本上是定向的具有很小的弹性系数，折射率、磁化率、介电常数、扩散系数等方面有明显的各向异性一般采用液晶薄膜，让液晶的分子轴与液晶盒表面平行或垂直一般采用液晶薄膜，让液晶的分子轴与液晶盒表面平行或垂直(1)电光效应的应用电光效应的应用在液晶盒上加电压后，电场使液晶分子轴旋转，最后与弹性力达到平衡TN:Twisted Nematic，扭曲向列 精选ppt39液晶的应用液晶分子在流动的过程中分子轴的方向基本上是定向的一扭曲向列型(TN)液晶精选ppt40扭曲向列型(TN)液晶精选ppt40液晶光开关工作原理示意图液晶光开关工作原理示意图入射的自然光偏振片P1偏振片P2出 射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸精选ppt41液晶光开关工作原理示意图入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射(2)(2)热敏效应的应用热敏效应的应用液晶的光学性质会随温度变化，可以用作温度显示液晶的光学性质会随温度变化，可以用作温度显示一些胆甾相液晶化合物温度改变1度，可以显示出从红到蓝的不同颜色变化液晶温度计医学上诊断血流障碍、恶性肿瘤、炎症等材料检测中可以探测工件内部缺陷和疵点(探伤)借助胆甾相显示层，可以将红外光辐射、超声波、微波等不可见的辐射变为可见精选ppt42(2)热敏效应的应用液晶的光学性质会随温度变化，可以用作温(3)聚合物液晶的应用聚合物液晶的应用信息存储，光学器件，海水淡化，离子交换(4)溶致液晶在高强度方面的应用溶致液晶在高强度方面的应用杜邦公司，Kevlar芳香聚合物纤维具有高强度，可用作防弹衣及航天材料溶液性抽丝工艺精选ppt43(3)聚合物液晶的应用信息存储，光学器件，海水淡化，离子交小结小结1）准晶具有准周期平移序，与非晶一样都是介稳定状态，可以通过快冷制备；2）非晶的形成与制备，结构特征等；3）液晶是液态与晶态之间的过渡态，大多出现于有机材料中；液晶的结构与分类、应用。精选ppt44小结1）准晶具有准周期平移序，与非晶一样都是介稳定状态，可以课堂讨论：课堂讨论：1：非晶态、准晶态和液晶的结构、性能以及应用。2：液晶显示器、等离子体显示器的工作原理与区别。精选ppt45课堂讨论：1：非晶态、准晶态和液晶的结构、性能以及应用。精选