单晶多晶非晶微晶无定形准晶的区别何在

发布于:2021-07-30 20:34:27

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单晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别何在 单晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别何在? 要理解这几个概念,首先要理解晶体概念,以及晶粒概念。我想学固体物理的或者金属材料的都 会对这些概念很清楚! 自然界中物质的存在状态有三种:气态、液态、固态 固体又可分为两种存在形式:晶体和非晶体 晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体; 晶体中原子或分子在空间按一定规律 周期性重复的排列。 晶体共同特点: 均 匀 性: 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 各向异性: 晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。 固定熔点: 晶体具有周期性结构,熔化时,各部分需要同样的温度。 规则外形: 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。 对 称 性: 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。 对晶体的研究,固体物理学家从成健角度分为: 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体 显微学则从空间几何上来分,有七大晶系,十四种布拉菲点阵,230 种空间群,用*搜В郝 知识去研究理解。可参考《晶体学中的对称群》一书(郭可信,王仁卉著) 。 与晶体对应的,原子或分子无规则排列,无周期性无对称性的固体叫非晶,如玻璃,非晶碳。一 般,无定型就是非晶英语叫 amorphous,也有人叫 glass(玻璃态). 晶粒是另外一个概念,搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变 为固态的过程首先要成核,然后生长,这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规 则地排列的,所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒,每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌 乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。英文晶粒用 Grain 表示,注意与 Particle 是有 区别的。 有了晶粒,那么晶粒大小(晶粒度) ,均匀程度,各个晶粒的取向关系都是很重要的组织(组织 简单说就是指固体微观形貌特征)参数。对于大多数的金属材料,晶粒越细,材料性能(力学性 能)越好,好比面团,颗粒粗的面团肯定不好成型,容易断裂。所以很多冶金学家材料科学家一 直在开发晶粒细化技术。 科学总是喜欢极端,看得越远的镜子叫望远镜;看得越细的镜子叫显微镜。晶粒度也是这样的, 很小的晶粒度我们喜欢,很大的我们也喜欢。最初,显微镜倍数还不是很高的时候,能看到微米 级的时候,觉得晶粒小的微米数量是非常小的了,而且这个时候材料的力学性能特别好。人们* 惯把这种小尺度晶粒较微晶。然而科学总是发展的,有一天人们发现如果晶粒度在小呢,材料性 能变得不可思议了,什么量子效应,隧道效应,超延展性等等很多小尺寸效应都出来了,这就是 现在很热的,热得不得了的纳米,晶粒度在 1nm-100nm 之间的晶粒我们叫纳米晶。 再说说非晶,非晶是无规则排列,无周期无对称特征,原子排列无序,没有一定的晶格常数,描 叙结构特点的只有径向分布函数,这是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数,我们总可 以知道面间距的统计分布情况吧。非晶有很多诱人的特性,所以也有一帮子人在成天做非晶,尤

其是作大块的金属非晶。因为它的应力应变曲线很特别。前面说了,从液态到到固态有个成核长 大的过程,我不让他成核呢,直接到固态,得到非晶,这需要很快的冷却速度。所以各路人马一 方面在拼命提高冷却速度, 一方面在不断寻找新的合金配方, 因为不同的合金配方有不同的非晶 形成能力,通常有 Tg 参数表征,叫玻璃化温度。非晶没有晶粒,也就没有晶界一说。也有人曾 跟我说过非晶可以看成有晶界组成。那么另一方面,我让他成核,不让他长大呢,不就成了纳米 晶。 人们都说,强扭的瓜不甜,既然都是抑制成核长大,那么从热力学上看,很多非晶,纳米晶应该 不是稳态相。所以你作出非晶、纳米晶了,人们自然会问你热稳定性如何。 后来,又有一个牛人叫卢柯,本来他是搞非晶的,读研究生的时候他还一直想把非晶的结构搞清 楚呢(牛人就是牛人,选题这么牛,非晶的结构现在人们还不是很清楚) 。他想既然我把非晶做 出来了,为什么我不可以把非晶直接晶化成纳米晶呢,纳米晶热啊,耶,这也是一种方法,叫非 晶晶化法。 既然晶界是一种缺陷,缺陷当然会影响材料性能,好坏先不管他,但是总不好控制。如果我把整 个一个材料做成一个晶粒,也就是单晶,会是什么样子呢,人们发现单晶确实会有多晶非晶不同 的性能,各向异性,谁都知道啊。当然还有其他的特性。所以很多人也在天天捣鼓着,弄些单晶 来。 现在不得不说准晶。准晶体的发现,是 20 世纪 80 年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做 电镜的人的功劳。1984 年底,D.Shechtman 等人宣布,他们在急冷凝固的 Al Mn 合金中发现了 具有五重旋转对称但并无无*移周期性的合金相,在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。 不久,这种无*移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。后来,郭先生一看,哇,我们这里 有很多这种东西啊,抓紧分析,马上写文章,那段金属固体原子像的 APL,PRL 多的不得了,基 本上是这方面的内容。准晶因此也被 D.Shechtman 称为“中国像” 。 斑竹也提到过孪晶,英文叫 twinning,孪晶其实是金属塑性变形里的一个重要概念。孪生与滑移 是两种基本的形变机制。从微观上看,晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫栾晶面。 很多教科书有介绍。一般面心立方结构的金属材料,滑移系多,已发生滑移,但是特定条件下也 有孪生。加上面心立方结构层错能高,不容易出现孪晶,曾经一段能够在面心立方里发现孪晶也 可以发很好的文章。前两年,马恩就因为在铝里面发现了孪晶,发了篇 Science 呢。卢柯去年也 因为在纳米铜里做出了很多孪晶,既提高了铜的强度,又保持了铜良好导电性(通常这是一对矛 盾) ,也发了个 Science.这年头 Science 很值钱啊。像一个穷山沟,出了个清华大学生一样。 现在,从显微学上来看单晶,多晶,微晶,非晶,准晶,纳米晶,加上孪晶。单晶与多晶,一个 晶粒就是单晶,多个晶粒就是多晶,没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点;多晶的话,取 向不同会表现几套斑点,标定的时候,一套一套来,当然有可能有的斑点重合,通过多晶衍射的 标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如果晶粒太小,可能会出现多晶衍射环。非晶衍射是 非晶衍射环,这个环均匀连续,与多晶衍射环有区别。 纳米晶,微晶是从晶粒度大小角度来说的,在大一点的晶粒,叫粗晶的。在从衍射上看,一般很 难作纳米晶的单晶衍射,因为最小物镜光栏选区还是太大。有做 NBED 的么,不知道这个可不可 以。 孪晶在衍射上的表现是很值得我们学*研究的, 也最见标定衍射谱的功力, 大家可以参照郭可信, 叶恒强编的那本《电子衍射在材料科学中应用》第六章。 准晶,一般晶体不会有五次对称,只有 1,2,3,4,6 次旋转对称(这个证明经常作为博士生 入学考试题,呵呵) 。所以看到衍射斑点是五次对称的,10 对称的啊,其他什么的,可能就是准 晶。


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