1.10.2. Свойства квазикристаллов

С момента открытия квази кристаллического состояния важной проблемой является вопрос о его термодинамической устойчивости. Вопрос состоит в том, при каких скоростях охлаждения из расплава будет образовываться квазикристал- лическая фаза, будет ли она более устойчивой, т. е. иметь меньшую энергию по сравнению с кристаллическим аналогом при данных условиях температуры, состава, давления, сколь долго она существует и не перейдет ли при изменении внешних условий в кристаллическую фазу.

Первые открытые квазикристаллические икосаэдрические сплавы алюминия с марганцем можно было получить лишь путем быстрого охлаждения с определенной скоростью из жидкого состояния (при более высокой скорости охлаждения получались аморфные фазы) либо другими столь же экзотическими методами [117]. Открытие квазикристаллической фазы в системе Al-Cu-Li показало, что квазикристаллы могут быть устойчивыми вплоть до температуры плавления и расти практически при равновесных условиях, как и обычные кристаллы.

Теоретически относительную стабильность квазикристаллического состояния можно изучать с помощью квантовомеханических расчетов энергии квазикристалла, в которых детали межатомного взаимодействия восстанавливаются из фундаментальных физических представлений, задавая электронное строение атомов, составляющих сплав. Реализация таких «первопринципных» расчетов сложна, поэтому обычно пользуются упрощенными схемами, в которых металл рассматривается как совокупность атомов, каждый из которых погружен в некую эффективную однородную среду, отражающую его непосредственное окружение. В рамках такого подхода можно рассчитать энергию достаточно большого кластера.

Подобные расчеты были выполнены для кристаллических и квазикристал- лических фаз системы А1-Мп. В качестве модели квазикристалла был использован декорированный икосаэдр, состоящий из 54 атомов (икосаэдр Маккея). Оказалось, что различными комбинациями икосаэдров Маккея можно добиться существенного снижения полной энергии такого модельного квазикристалла по сравнению с кристаллической фазой сплава того же состава. Следуя такому пути, в принципе можно предсказывать возможность появления квазикристал- лических фаз в различных металлических сплавах. Для полноты анализа термодинамической устойчивости квазикристаллической фазы необходим еще учет конфигурационного беспорядка, который может существенно изменить энергетическое состояние объекта. Для регулярных и случайных квазикристаллов этот вклад различен: в первом случае он просто равен нулю. Однако для реальных квазикристаллов, содержащих структурные дефекты, ситуация более сложная, так как появление атомных конфигураций, которых нет в основном состоянии регулярного квазикристалла, может сложным образом изменить энергию системы.

Как уже было сказано выше, квазикристаллы, как правило — сплавы металлических элементов, но их физические свойства отличаются от свойств других металлических систем.

Электросопротивление металлов увеличивается при возрастании температуры, концентрации примесей, структурных дефектов. В квазикристаллах сопротивление при низких температурах аномально велико, а с ростом температуры уменьшается. Интересная закономерность наблюдается у декагональных квази- кристаллов. Это слоистые объекты: квазикристаллические плоскости упакованы вдаль оси десятого порядка с конечным периодом. Вдоль оси упаковки электро- сопротивление ведет себя как в нормальном металле, а в квазикристаллических плоскостях - описанным выше образом.

Другая особенность — конечный, как и у металлов, линейно зависящий от температуры алектронный вклад в удельную теплоемкость. По сравнению с металлом он занижен, но его присутствие указывает на наличие свободных носителей заряда.

Квазикристаллы — не изоляторы и не полупроводники, но в отличие от металлов увеличения структурного порядка и отжига дефектов (устранение дефектов при длительном нагреве) в них не происходит.

Практически все квазикристаллические сплавы — диамагнетики. Исключение составляют сплавы с марганцем, являющиеся парамагнетиками.

В табл. 1.6 в качестве примера приведены некоторые характеристики квазикристалла, представляющего собой сплав Al-Cu-Fe, где массовые доли А1 — 65%, Си — 20%, Fe — 15%, в сравнении с аналогичными данными для материалов, обладающих кристаллической структурой обычного типа.

Таблица 1.6. Характеристики квазикристалла Al65Cu2oFei5 и некоторых материалов: tfv— микротвердость, Л— коэффициент теплопроводности, ц — коэффициент трения материала по стати

Материал

tfv (кг/мм2)

А (Вт/(м-К))

Ц

Алмаз

6000-10000

2000

0,1-0,15

Стекло

750-1200

0,7-1,3

0,5- 0,7

AlerjCuooFeis

800-1000

2

0,14

Низкоуглеродистая сталь

70-200

50

0,22

Си

10-105

390

0,24

А1

25-45

170

0,55

Интересны упругие и пластические свойства квазикристаллов. Упругие модули квазикристаллов меньше по величине, чем модули близких по составу кристаллических фаз. По упругим свойствам квазикристаллы гораздо ближе к аморфным металлам, чем к кристаллам. Низкое значение упругих модулей указывает на более слабое межатомное взаимодействие, и, на первый взгляд, квазикристаллы должны легче деформироваться, чем их кристаллические аналоги. Однако высокая сила сопротивления движению дислокаций в квазикристалле делает их менее пластичными и, соответственно, реальными кандидатами на роль эффективных упрочнителей в сплавах.

Уникальные свойства квазикристаллов, в первую очередь, сочетание повышенной твердости и низкого коэффициента трения с термической стабильно стыо, делают их перспективными функциональными материалами. Наиболее перспективно применение их в форме нанообъектов для модификации существующих материалов — в виде покрытий, ультрадисперсных наполнителей и модификаторов, при создании композиционных материалов. Вероятно, на основе квазикристаллов будут созданы добавки, заметно упрочняющие давно используемые материалы. Не исключено, что они помогут разработать специальные покрытия, осущесталяющие поверхностные разделения материалов и снижающие коэффициент трения между ними. Более сотни уже известных видов квазикристаллов, без сомнения, способны заметно изменить мир материалов.

Теория твердого тела прекрасно объясняет электронные свойства нормальных металлов и их сплавов. Отправным пунктом является периодичность кристаллической структуры. Однако теория еще не в состоянии объяснить, почему квазипериодичность является источником специфичного поведения свойств. Д.ля ответа на этот вопрос необходима большая экспериментальная и теоретическая информация об электронном строении (алектронном спектре) квазикристаллов.

Вопрос о квазикристаллическом состоянии не ограничивается физикой твердого тела. Симметрийные свойства квазикристаллов обладают универсальностью. Это означает, что если какой-либо способ упаковки ячеек некоторой формы найден в твердом тале, то такой же способ упаковки «жидких ячеек» может быть обнаружен в гидродинамических течениях, проблеме хаоса (в структуре фазовой плоскости динамической системы) и др. Поэтому в исследование квазикристаллов вовлечены физики, математики, кристаллографы и материаловеды. Однако вопрос о природе квазикрист алли че ско г о состояния материи и объяснении свойств квазикристаллов все еще остается загадкой, которую преподнесла нам природа.

До недавнего времени считалось, что квазикристаллы могут быть созданы лишь искусственно. Однако в 2009 г. удалось обнаружить природные квазикри- сталлические минералы. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и были найдены в России во фрагментах горных пород, собранных на Корякском нагорье Чукотки.

Задачи

1.1. Найти угол между нормалями к плоскостям (hikih)-, для кристаллов

кубической, тетрагональной и ромбической сингоний.

  • 1.2. Доказать, что если [L/VW] — индексы оси кристаллографической зоны, a (hkl) — индексы одной из плоскостей, принадлежащих этой зоне, то выполняется равенство hU + kV + IW = 0.
  • 1.3. Определить максимальные радиусы атомов, которые могут быть размещены в тетраэдрических и октаэдрических пустотах ГЦК-ячейки с периодом а.
  • 1.4. Доказать, что прямой объемноцентрированной кубической (ОЦК) решетке соответствует обратная гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка, и наоборот.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >