准晶非晶和液晶ppt课件

2-3准晶、非晶和液晶,1,2019/12/10,2,2-3准晶、非晶和液晶,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,2,晶体：周期性、对称性,？,3,2019/12/10,4,1984年中国、美国、法国和以色列（schechman，1982）等国家的学者几乎同时在淬冷合金中发现了存在有5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次、10次、12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.准晶体,4,5,2019/12/10,6,五次对称性,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,6,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：,72o、72o、144o、72o,36o、72o、36o、216o,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,飞镖,7,8,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：长程取向有序，非周期性的长程有序,准晶：准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相,9,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,Ti-Ni,郭可信张泽,Al-Li-Cu,麦振洪李方华,10,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，不统一,11,室温下硬而脆，大块准晶性能接近陶瓷在高温下具有类似超塑性的极高塑性高硬度、耐摩擦性能及不粘性,准晶的物理性质：,力学性能：,12,准晶图案-赏析：,13,14,15,2009，SCIENCE,khatyrkite的岩石自然界中的准晶,16,2.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。,17,2.1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。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。,18,19,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。,20,2.2非晶态的形成,1）抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构2）使非晶态亚稳结构在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，使晶态转变为非晶态,21,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，Tg越高，越有利于非晶态材料的形成,22,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.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。,23,2.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.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。,24,2.3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，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，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，可在金属表面产生400um厚的非晶层。,25,2.4非晶态合金的分类,（1）过渡金属与类金属元素（例如P、S、B、C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，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La系、Ac系元素的非晶态合金。,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）,26,2.5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！,27,非晶态合金机械性能,28,b.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。,29,3.液晶液态晶体,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,30,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(conformation)变化,熔化熵：,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,31,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：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（mesophase）或介晶（mesomorphic）,32,液晶的分类：,(1)按形成条件分：,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(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,33,(2)按结构分类：,近晶相液晶(smectic),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,34,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,序参数,偏光显微镜照片(线形缺陷),35,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,36,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,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,胆甾型液晶中，n0ne，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,37,(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,向列相液晶在2000Oe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,38,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,(1)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:TwistedNematic，扭曲向列,39,扭曲向列型(TN)液晶,40,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,41,(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,42,(3)聚合物液晶的应用,信息存储，光学器件，海