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材料的亚稳态

•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

（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

纳米晶材料

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。

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

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。

准晶态

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。

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。

准晶的性能

•到目前为止，人们尚难以制成大块的准晶态

材料，最大的也只是几个毫米直径，故对准晶

的研究多集中在其结构方面，对性能的研究测

试甚少报道。但从已获得的准晶都很脆的特点，

为结构材料使用尚无前景。

•准晶的密度低于其晶态时的密度，这是由于其

原子排列的规则性不及晶态严密，但其密度高

于非晶态，说明其准周期性排列仍是较密集的。

准晶的比热容比晶态大，准晶合金的电阻率甚

高而电阻温度系数则甚小,其电阻随温度的变

化规律也各不相