《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件讲稿）第九章 材料的亚稳态

第九章 材料的亚稳态（自学）

第九章 材料的亚稳态 (自学)

稳态：体系自由能最低的平衡状态亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡。同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值

➢ 稳 态：体系自由能最低的平衡状态。 ➢ 亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的 一种非平衡。 同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能 不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形 成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的 性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某 些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至 出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研 究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用 价值

非平的稳心大（1）细晶组织当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态（2）高密度晶体缺陷的存在晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降故体系自由能增高（3）形成过饱和固溶体即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解。（4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相等。（5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高

非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1）细晶组织 当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。 （2）高密度晶体缺陷的存在 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降， 故体系自由能增高。 （3）形成过饱和固溶体 即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状 态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚 稳新相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相 等。 （5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序， 自由能增高

9.1纳米晶材料9.1.1纳米晶材料的结构纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少在一个方向文上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。纳米材料也可由非晶物质组成由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料，通常称为纳米复合材料

9.1纳米晶材料 9.1.1纳米晶材料的结构 ❖ 纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少在一个方向 上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构 成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大 量的晶体缺陷。纳米材料也可由非晶物质组成 ❖ 由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料，通常称为 纳米复合材料

摘自《纳米世界网》摘自《纳米世界网》

9.1.2纳米晶材料的性能纳米晶材料不仅具有高的强度和硬度，其塑性韧性也大大改善。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料纳米半导体材料却具有高的电导率，米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力纳米材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的

9.1.2 纳米晶材料的性能 ❖ 纳米晶材料不仅具有高的强度和硬度，其塑性韧性 也大大改善。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料， 纳米半导体材料却具有高的电导率 ，米铁磁材料具有 低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力 ❖ 纳米材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流 的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人 注目的

9.1.3纳米晶材料的形成纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面（1）以非晶态（金属玻璃或溶胶）为起始相，使之在晶化过程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。（2）对起始为通常粗晶的材料，通过强烈地塑性形变（如高能球磨、高速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如高能粒子辐照、火花刻蚀等）使之产生高密度缺陷而致自由能升高，转变形成亚稳态纳米晶。（3）通过蒸发、溅射等沉积途径如物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）、电化学方法等生成纳米微粒然后固化，或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。（4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理时效沉淀法等，析出纳米微粒

9.1.3 纳米晶材料的形成 纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。 （1）以非晶态（金属玻璃或溶胶）为起始相，使之在晶化过程 中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。 （2）对起始为通常粗晶的材料，通过强烈地塑性形变（如高能 球磨、高速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如 高能粒子辐照、火花刻蚀等）使之产生高密度缺陷而致自由能 升高，转变形成亚稳态纳米晶。 （3）通过蒸发、溅射等沉积途径，如物理气相沉积（PVD）、 化学气相沉积（CVD）、电化学方法等生成纳米微粒然后固 化，或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。 （4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理时效沉 淀法等，析出纳米微粒

9.2准晶态9.2.1准晶的结构准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。准晶结构有多种形式就目前所知可分成下列几种类型：a.一维准晶这类准晶相常发生于一十面体相或十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。b.二维准晶它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起C.二十面体准晶可分为A和B两类。A类以含有54个原子的一十面体作为结构单元：B类则以含有137个原子的多面体为结构单元：A类一十面体多数是铝-过渡族元素化合物，而B族极少含有过渡族元素

9.2准晶态 9.2.1准晶的结构 准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。准晶结构有多种形 式，就目前所知可分成下列几种类型： ❖ a．一维准晶 这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相与结晶相之间发生相 互转变的中间状态，故属亚稳状态。 ❖ b．二维准晶 它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶 态和晶态的结构特征结合在一起。 ❖ c．二十面体准晶 可分为A和B两类。A类以含有54个原子的二十面体作为结构单 元；B类则以含有137个原子的多面体为结构单元；A类二十面体 多数是铝-过渡族元素化合物，而B族极少含有过渡族元素

9.2.2准晶的形成准晶的形成过程包括形核和生长两个过程，故采用快冷法时其冷速要确当控制冷速过慢则不能抑制结晶过程而会形成结晶相：冷速过大则准晶的形核生长也被抑制而形成非晶态。此外其形成条件还与合金成分、晶体结构类型等多种因素有关，并非所有的合金都能形成准晶，这方面的规律还有待进一步探索和掌握

9.2.2准晶的形成 ❖ 准晶的形成过程包括形核和生长两个过程，故采用 快冷法时其冷速要确当控制，冷速过慢则不能抑制结 晶过程而会形成结晶相；冷速过大则准晶的形核生长 也被抑制而形成非晶态。此外，其形成条件还与合金 成分、晶体结构类型等多种因素有关，并非所有的合 金都能形成准晶，这方面的规律还有待进一步探索和 掌握

2nm钱五次对称性和准晶相的发现对传统晶体学产生了强烈的冲击，它为物质微观结构的研究增添了新的内容，为新材料的发展开拓了新领域

五次对称性和准晶相的发现对传统晶体学产生了强烈 的冲击，它为物质微观结构的研究增添了新的内容， 为新材料的发展开拓了新领域