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问题:★经典:单晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别
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提问:abingchem
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时间:2006-03-26 17:40:51  编辑    加入/取消收藏    订制/取消短消息    举报该贴    


主题:【基础讲座】单晶,多晶,非晶,微晶,无定形,准晶的区别何在?
仪器信息网:文/gamexxp

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,用拓扑学,群论知识去研究理解。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。人们习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平移周期性的合金相,在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久,这种无平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,除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习研究的,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。



回复人:沧海一声笑,★★★ (为国家富强奋斗,为人民疾苦呐喊!) 时间:2006-03-26 20:26:31   编辑 1楼
资源不错,加0.3分


回复人:沧海一声笑,★★★ (为国家富强奋斗,为人民疾苦呐喊!) 时间:2006-03-26 20:26:59   编辑 2楼
受益匪浅!!!感谢楼主!!!!


回复人:abingchem,▲▲▲▲▲ (为什么我们就该被污染?行业标准??) 时间:2006-03-26 22:20:27   编辑 3楼
希望这篇帖子不要被淹没啊


回复人:Tom, (Pharma) 时间:2006-03-27 11:03:01   编辑 4楼
感谢LZ


回复人:chimeralu, (拼命在一线工作,大量地阅读文献.) 时间:2006-03-27 12:34:30   编辑 5楼
很不错的帖子,谢谢


回复人:学学点, (什么都不懂) 时间:2006-03-29 23:16:00   编辑 6楼
资源不错,加0.3分


回复人:sosuny, (理性思考者!) 时间:2006-04-03 11:01:16   编辑 7楼
不赖!加分!


回复人:daxiang101, () 时间:2006-04-05 09:04:26   编辑 8楼
分析的深刻。深入浅出,值得回味


回复人:langzi, () 时间:2006-04-16 21:22:32   编辑 9楼
总结的不错
加0.2分


回复人:flychem, () 时间:2006-05-14 20:51:37   编辑 10楼
资源不错,加0.3分


回复人:pirate1012, (我爱化学) 时间:2006-05-15 11:12:25   编辑 11楼
什么叫做5次对称啊?


回复人:guohao1978, (我喜欢化学) 时间:2006-05-23 11:25:19   编辑 12楼
资源不错,加0.3分


回复人:hewangcsu, (路漫漫其修远兮,吾将上下而求索...) 时间:2006-06-03 21:26:44   编辑 13楼
资源不错,加0.3分


回复人:hewangcsu, (路漫漫其修远兮,吾将上下而求索...) 时间:2006-06-05 10:32:38   编辑 14楼
很感谢楼主,同时想再请教一个问题:现在有很多关于合成了“单晶的纳米线、纳米棒、纳米管等”文献报道,请问这里面提到的“单晶”和楼主提到的有何异同呢?恳请赐教,谢谢!


回复人:changweiwu, () 时间:2006-06-05 16:47:37   编辑 15楼
资源不错,加0.3分


回复人:gxsdhhm, (中国化学之家 http://chemhome.uu1001.com/index.php) 时间:2006-07-26 11:44:37   编辑 16楼
资源不错,加0.3分


回复人:qqQin, () 时间:2006-08-08 08:47:10   编辑 17楼
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回复人:flychem, () 时间:2006-08-15 08:25:30   编辑 18楼
资源不错,加0.3分


回复人:liyg, (是金子在哪里都发光) 时间:2006-08-21 20:15:45   编辑 19楼
顶!确实不错!


回复人:xzyamway, (想学习,想了解,交个朋友) 时间:2006-11-15 11:09:14   编辑 20楼
资源不错,加0.3分


回复人:cc136520,▲▲ (物理化学专业学生) 时间:2006-12-24 10:39:20   编辑 21楼
资源不错,加0.3分


回复人:freeji, () 时间:2009-09-27 10:56:37   编辑 22楼



回复人:革命尚未成功仍需努力, (我是做试剂销售的,这行是菜鸟中的菜鸟。来这里希望多多学习。。各位大侠莫见笑) 时间:2010-11-22 23:49:01   编辑 23楼
新手上路。多多关照


回复人:xuqigui, (刚走出校门的小P孩,请多多指教!) 时间:2010-03-12 10:09:47   编辑 24楼
资源不错,加1分


回复人:schultz, (高品质的高温合成导热油就选舒尔茨) 时间:2015-04-10 10:47:04   编辑 25楼
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