準晶材料簡介與潛在應用

 

刊登日期:2018/1/5
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準晶(Quasicrystals)材料因原子排列有別於傳統三軸對稱的晶體結構與無序的非晶結構,是一種具長程有序的結晶,但沒有三維平移對稱性,也就是不具週期性的晶體結構。因此,準晶材料特殊的原子排列結構,造成電子能態密度、滑移系統與傳統晶體結構金屬材料不同,所以具有高電阻率、低熱傳導係數、低摩擦係數、高硬度與低表面能等特性。近期更發現可應用在觸媒與儲氫材料上,拓展準晶材料的應用價值,為一特殊且創新的材料。

本文將從以下大綱,簡介準晶材料的研究現況與潛在的應用。
‧準晶材料的研究發展與特性
‧準晶材料的潛在應用
‧工研院研發能量

【內文精選】
準晶材料的研究發展與特性
薛契曼教授利用急冷凝固方法製備Al-Mn合金時,實驗目的是為了得到高強度鋁合金,但是卻在TEM分析時發現了一種相有別於金屬結構的繞射圖譜。薛契曼把這種具有長程次序、無週期性,且有晶體不允許的旋轉對稱性如五重對稱的物質稱為準晶,也稱為正二十面體的準晶(Icosahedral Quasicrystal)。傳統的電子繞射圖譜不允許五次旋轉對稱性,但從理論上卻可以計算出具有五次對稱性的可能性,加上薛契曼教授的實驗驗證,理論與實驗的完美結合,充分肯定了準晶材料的客觀存在。

日本東北大學蔡安邦教授長期投入對準晶材料的研究,發現準晶的安定結構源自於其電子結構,透過電子與原子比的計算,找出適合成長為準晶的合成配比公式,以及適當的成分比例,即可更快速準確地合成具有準晶結構之合金設計。Al-Cu-Fe三元相圖中有一個I相,對應化學式為A16Cu2Fe,成分為A165Cu23Fe12,即為蔡安邦教授發現熱力學上穩定的準晶I相。也有文獻指出準晶I相的成分範圍為A161.75~64Cu24~25.5Fe12~12.75,隨著溫度的升高,準晶相的成分範圍有所擴大。這也是XRD實驗圖譜中主峰角度會因成分偏差一些,而也跟著變化偏離一些之主因。

另外,由於Al-Cu-Fe三元合金根據成分和熱力學條件的不同,分別可以獲得晶體相、準晶相和非晶體相。值得一提的是鋁系的準晶,如鋁-銅-鐵所含的三個元素都是金屬,導電性佳,但這三個元素組成的準晶,導電率僅約為金屬的萬分之一,甚至比成分類似的非晶還低,而且愈完美、無缺陷的準晶,導電率愈低,與金屬剛好相反。也就是金屬元素卻呈現類陶瓷的特性,與一般的金屬和非晶金屬應有很大的差異。圖三為蔡安邦教授提供之鋁基準晶材料之電子繞射與SEM圖。

圖三、具準晶結構之鋁基合金的TEM與SEM圖
圖三、具準晶結構之鋁基合金的TEM與SEM圖

準晶材料在機械性質上也是較傳統金屬有不一樣的特性。從巨觀來看,一般傳統晶體結構具有滑移系統,可讓差排在金屬材料中傳遞,造成塑性變形;而準晶材料為五軸對稱性的晶體結構,沒有滑移系統產生塑性變形,且差排不容易在準晶結構中傳遞。以鋁基合金比較準晶材料的機械特性如圖四所示,可以發現相較一般的鋁合金7075-T6,準晶合金的抗拉強度500~800 MPa、伸張率5~25%、衝擊破壞能量160 KJ/m2,尤其在高溫強度的特性更是優異。

圖四、準晶材料的機械性質比較
圖四、準晶材料的機械性質比較

工研院研發能量
工研院材化所在準晶材料的研究上,針對表面膜層製備、相結構與奈米機械性質進行研究開發。目前掌握準晶材料的結構、成分及特殊性質,以拓展準晶金屬材料的應用。另已掌握關鍵製程技術,開發具準晶結構之粉體與塗層材料,如圖九所示。在金屬基複材上,與傳統鋁合金相比,具準晶強化相的鋁基複材硬度高達5倍。準晶粉體粒徑10~60 μm、準晶塗層厚度>100 μm、膜層孔隙率<12%、膜層硬度~500 Hv、接觸角…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳泰盛、劉武漢、呂明生/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」373期,更多資料請見下方附檔。


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