第六章 非晶态与准晶材料

1、6.1 非晶态材料6.2 准晶材料 根据组成物质的原子模型，自然界中物质状态分为根据组成物质的原子模型，自然界中物质状态分为和和两大类。两大类。l 晶体晶体有序结构有序结构，平行六面体作为结构基胞，用这个平行平行六面体作为结构基胞，用这个平行六面体可以布满整个空间。晶体的阵点构成有规则的三维周期六面体可以布满整个空间。晶体的阵点构成有规则的三维周期点阵，具有平移对称性点阵，具有平移对称性。l 特点：长程有序，短程有序。特点：长程有序，短程有序。 l气体气体、液体液体 气体特点：长程无序，短程无序。气体特点：长程无序，短程无序。 液体特点：长程无序，短程有序。液体特点：长程无序，短程有序。介于晶

2、体和液体之间有序度的一种聚集态。它不介于晶体和液体之间有序度的一种聚集态。它不像晶态物质在三维空间具有周期性和平移对称性，像晶态物质在三维空间具有周期性和平移对称性，非晶是非晶是长程无序的长程无序的。但由于原子间的相互关联作用，使每个原子。但由于原子间的相互关联作用，使每个原子在几纳米在几纳米-几十纳米内，与邻近原子在化学键长、键角与晶几十纳米内，与邻近原子在化学键长、键角与晶体相似，称为类晶区，体相似，称为类晶区，因此非晶具有短程有序因此非晶具有短程有序的特点。非的特点。非晶态材料不同于液体，类晶区不能移动，没有流动性。这晶态材料不同于液体，类晶区不能移动，没有流动性。这样的材料成为非晶态材

3、料样的材料成为非晶态材料 特点：长程无序，短程有序。特点：长程无序，短程有序。非晶态固体中的无序非晶态固体中的无序，而是破坏了有序系而是破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种统的某些对称性，形成了一种、。非晶非晶晶体晶体3 比较气态、液态、非晶态、晶态中原子分布比较气态、液态、非晶态、晶态中原子分布原子径向分布函数原子径向分布函数：0)()(rrg以某原子中心作为原点：以某原子中心作为原点：p p0 0：单位体积中原子的平均个数：单位体积中原子的平均个数 即平均数值密度即平均数值密度p(rp(r):):离原点离原点r r处的平均数值密度处的平均数值密度g(rg(r):):离原点离原点r r处处

4、原子出现的几率原子出现的几率气体气体短程无序，长程无序短程无序，长程无序晶体晶体短程有序，长程有序短程有序，长程有序液体液体非晶非晶可以看出，非晶态的分布函数与完全无序分布的气态和长可以看出，非晶态的分布函数与完全无序分布的气态和长程有序的晶态的分布函数差别很大，与液态相似。这说明非程有序的晶态的分布函数差别很大，与液态相似。这说明非晶态在结构上与液态相似晶态在结构上与液态相似，原子排列是短程有序原子排列是短程有序的。非晶态的。非晶态的第一峰更尖，说明非晶态的短程有序比液态更突出。从总的第一峰更尖，说明非晶态的短程有序比液态更突出。从总体结构上非晶态是体结构上非晶态是长程无序长程无序的，在宏观

5、上可将其看作均匀、的，在宏观上可将其看作均匀、各向同性的。各向同性的。(1(1) )只存在小区间范围内的只存在小区间范围内的，在近程或次近，在近程或次近邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有某种规律性，但没有长程序结构。键长等）具有某种规律性，但没有长程序结构。(2) 非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。X X射线衍射图射线衍射图上非晶没有特征峰。但由于短程有序，仍存在择优性衍射，出上非晶没有特征峰。但由于短程有序，仍存在择优性衍射，出现非晶态馒头峰。现非晶态馒头峰。非晶体的电子衍射花

6、样非晶体的电子衍射花样单晶是一套排列整齐的衍射斑点，单晶是一套排列整齐的衍射斑点，斑点分布在平行四边形斑点分布在平行四边形网络格点上。网络格点上。多晶是取向不同的几套衍射斑点（晶粒变小，多晶是取向不同的几套衍射斑点（晶粒变小，成环），非晶没有环。成环），非晶没有环。(a)单晶体单晶体 (b)多晶体多晶体I气体：近程无序，远程无序，气体：近程无序，远程无序，在进行在进行X X射线分析时，只能得到射线分析时，只能得到一条近乎水平的衍射背底谱线。一条近乎水平的衍射背底谱线。非晶体材料：近程有序，远程无序，非晶体材料：近程有序，远程无序，由于近程原子的有序排列，由于近程原子的有序排列，在配位原子密度较

7、高原子间距对应的在配位原子密度较高原子间距对应的 2 附近产生非晶散射峰。附近产生非晶散射峰。近程原子近程原子有序度有序度越高，则配位原子密度较高，原子间距对应的越高，则配位原子密度较高，原子间距对应的非晶散射峰越强，且散射峰越窄。非晶散射峰越强，且散射峰越窄。I2理想晶体：短程有序，长程有序，理想晶体：短程有序，长程有序，衍射谱线是布拉格方向对衍射谱线是布拉格方向对应的应的 2 处产生没有宽度的衍射线条。处产生没有宽度的衍射线条。 实际晶体：实际晶体：由于存在晶体缺陷等破坏晶体完整性的由于存在晶体缺陷等破坏晶体完整性的因素，导致衍射谱线的峰值强度降低，峰形变宽。因素，导致衍射谱线的峰值强度降

8、低，峰形变宽。 （3 3）非晶材料在电子显微镜下看不到晶粒间界、晶格）非晶材料在电子显微镜下看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍衬反差。缺陷等形成的衍衬反差。（4 4）任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相）任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。当温度升高时，在某个很窄的温比，都是亚稳态。当温度升高时，在某个很窄的温度区间，原子重排会发生明显的结构相变度区间，原子重排会发生明显的结构相变 。 基本思想：基本思想：视原子为一直径不可压缩的钢球；视原子为一直径不可压缩的钢球；球近可能紧密堆积，排列无规则；球近可能紧密堆积，排列无规则；结构中不包含可以容纳一个球的间隙；结构中不包含

9、可以容纳一个球的间隙；任两球间间距大于球直径的五倍；任两球间间距大于球直径的五倍；球与球之间关系性很弱。球与球之间关系性很弱。硬球随即密堆时，存在五种多面体，多面体每个面均为硬球随即密堆时，存在五种多面体，多面体每个面均为三角形。三角形。这五种多面体堆积时，这五种多面体堆积时， 按一定的几率出现，从而构成短按一定的几率出现，从而构成短程有序，长程无序的非晶态固体。程有序，长程无序的非晶态固体。类型数目百分比 体积百分比 73%20.3%3.2%0.4%3.1%48.4 %26.9 %7.8 %2.1 %14.8 % 非晶态固体与晶非晶态固体与晶态固体相比态固体相比 一般的非晶态形成存在气态、液

10、态和固态三者之间的相互转变。图一般的非晶态形成存在气态、液态和固态三者之间的相互转变。图中中粗黑箭头粗黑箭头表示物态之间的平衡转变。空心箭头表示非晶态转变。表示物态之间的平衡转变。空心箭头表示非晶态转变。 晶态物质从液态到固态的过程：晶态物质从液态到固态的过程：在液态环境下，随着温度的降低，首先形成临界晶核，在液态环境下，随着温度的降低，首先形成临界晶核，在扩散的作用下，晶核生长形成晶态材料。在扩散的作用下，晶核生长形成晶态材料。若要从液态的冷却中形成非晶态材料：若要从液态的冷却中形成非晶态材料：控制形成晶核。控制形成晶核。在液体凝固时要抑制晶体相的形核，要求熔体从熔点在液体凝固时要抑制晶体相

11、的形核，要求熔体从熔点Tm以上以上凝固时，凝固时，快速快速越过晶体形成温度越过晶体形成温度Tm而进入而进入玻璃转化温度玻璃转化温度Tg，这样液体的无序状态就被保存下来，成为非晶的固态这样液体的无序状态就被保存下来，成为非晶的固态。非晶态的形成看成是，成核和生长速率很小或一定的过冷度非晶态的形成看成是，成核和生长速率很小或一定的过冷度下所形成的结晶数很少下所形成的结晶数很少根据公式可以求出，系统达到一定的结晶比例（根据公式可以求出，系统达到一定的结晶比例（时，时，所对应的冷却时间及冷却温度。所对应的冷却时间及冷却温度。nNmctTTR几种金属及合金的熔点几种金属及合金的熔点T Tmm、玻化温度、

12、玻化温度T Tg g、临界冷却速度、临界冷却速度R Rc c2022-5-9非晶态合金非晶态合金Tm（K）Tg（K）Rc (K/s) NiFe91B9Co75Si15B10GeFe79Si10B11Ni75Si18B7Pd82Si18Pd77.5Cu6Si16.517251628139312101419134010711015425600785750818782657653310102.61073.510551051.81051.11052.8104320上述方法制备非晶态材料的生长速率相当低，上述方法制备非晶态材料的生长速率相当低，一般只用来制备薄膜一般只用来制备薄膜。高强度、高硬度：高强度

13、、高硬度：非晶态的结构在宏观上是各向同性的，非晶态的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态材料中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。这没有晶态材料中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。这样就使得非晶态材料具有很高的强度和硬度。样就使得非晶态材料具有很高的强度和硬度。高韧性：高韧性：非晶态材料中原子排列不规则，原字不是整齐的非晶态材料中原子排列不规则，原字不是整齐的排在晶面上，而是犬牙交错，这使得材料断裂需要较高的排在晶面上，而是犬牙交错，这使得材料断裂需要较高的能量，因而，韧性较大能量，因而，韧性较大表表 非晶态合金的机械性能非晶态合金的机械性能非晶态材料比相同成分的晶态材料具有强得多的耐腐蚀性能非晶态材料比相同成分的晶态材料具有强得多的耐腐蚀性能主要因为主要因为:(1)非晶态的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态材料中常见非晶态的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态材料中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀，这使得腐蚀液无缝可钻。的晶界和缺陷等各种局部不均匀，这