涂層和薄膜態(tài)準(zhǔn)晶材料的研究現(xiàn)狀及展望

辛先峰，董闖,2，龐廠，萬鵬

（1.大連理工大學(xué)，大連 116024；2.大連交通大學(xué)，大連 116028；3.大連海洋大學(xué)，大連 116000；4.佛山市順德區(qū)美的電熱電器制造有限公司，廣東 佛山 528300）

準(zhǔn)晶是一類具有長程有序的原子排列和旋轉(zhuǎn)對稱性的特殊晶體，與晶體類似，但是不具備晶體的平移對稱性，因而可以具有常規(guī)晶體所沒有的宏觀對稱性，例如五次對稱[1-3]。1984 年，Shechtman 等人[4]在急冷的Al-Mn 合金中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶相，揭開了研究準(zhǔn)晶材料的序幕。幾乎同時(shí)，郭可信院士團(tuán)隊(duì)在快冷的(Ti,V)2Ni 合金中也發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶的存在，由此我國的準(zhǔn)晶研究走上了世界前列。在此后的近40 年里，因其特殊的綜合性能，使得大量的研究人員投身到準(zhǔn)晶材料的研究工作之中，準(zhǔn)晶材料的相關(guān)研究得以蓬勃發(fā)展[5]。準(zhǔn)晶材料具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱導(dǎo)電能力差等特性，同時(shí)具有可以與聚四氟乙烯相媲美的低表面能，使其在生產(chǎn)制造不粘鍋涂層、碾磨材料、固體潤滑劑等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用潛力[6-7]。

準(zhǔn)晶體本身具有極大的脆性，難以直接作為結(jié)構(gòu)部件使用，而附著于特定基底的準(zhǔn)晶涂層或準(zhǔn)晶薄膜材料不僅能夠避免本征脆性的缺點(diǎn)，還可以充分發(fā)揮其低表面能、低摩擦、高硬度等特性，所以逐漸成為研究熱點(diǎn)。比如法國已投入商業(yè)化使用的不粘鍋涂層就利用了準(zhǔn)晶材料低表面能特性，又例如航空發(fā)動機(jī)葉片上的熱障涂層利用了準(zhǔn)晶材料導(dǎo)熱性差的特性。本文從準(zhǔn)晶涂層和薄膜的制備方法、性能機(jī)理研究以及存在的相關(guān)問題等方面，介紹了準(zhǔn)晶涂層和薄膜的研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢做出展望。

1 制備準(zhǔn)晶涂層和薄膜的方法

涂層與薄膜最主要區(qū)別是厚度的大小，薄膜的厚度在微米級及以下，而涂層的厚度一般都在數(shù)十微米以上。幾乎所有的涂層和薄膜技術(shù)都被應(yīng)用于準(zhǔn)晶研究。影響涂層和薄膜制備的因素很多，不同的制備技術(shù)得到的涂層、薄膜在質(zhì)量和性能方面存在很大的差異。通過這些技術(shù)沉積的涂層、薄膜，也面臨著共同的難題：質(zhì)量差（內(nèi)部疏松，與基底的界面結(jié)合力小），成分及相組成難以精確控制。

1.1 涂層技術(shù)

熱噴涂是最早用于制備準(zhǔn)晶薄膜的工藝之一，常見的有超聲噴涂、超音速火焰噴涂和等離子體噴涂等。Feitosa 等[8]利用超音速火焰噴涂（HVOF）工藝將粗原料粉末制備成Al-Cu-Fe-B 準(zhǔn)晶涂層。Lepeshev等[9]利用等離子噴涂工藝制備出一系列Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶涂層。Silva 等[10]研究了熱噴涂工藝制備的Al 基準(zhǔn)晶涂層的自潤滑、摩擦、耐磨等特性，研究表明，HVOF 適用于生產(chǎn)完全準(zhǔn)晶的涂層，熱處理后沒有任何晶體殘留相。Wolf 等[11]采用不同的噴涂參數(shù)制備了多組準(zhǔn)晶涂層，并通過對照試驗(yàn)研究工藝參數(shù)對準(zhǔn)晶涂層性能的影響。結(jié)果表明，初始粉末粗細(xì)對準(zhǔn)晶涂層的結(jié)構(gòu)和性能會有較大程度的影響。

激光熔覆技術(shù)是一種獲得準(zhǔn)晶涂層的新方法。Kang 等[12]將Al、Cr、Fe 的混合粉末利用激光熔覆技術(shù)制備成準(zhǔn)晶涂層沉積在基底材料上。Prashanth 等[13]采用不同的激光工藝參數(shù)來熔覆不同成分的靶材（Al70Cu20Fe10、Al65Cu23Fe12），獲得了晶體相與部分準(zhǔn)晶相。Fu 等人[14]研究了工藝參數(shù)對通過選擇性激光熔覆（SLM）制備的Al-Cu-Fe-Cr 準(zhǔn)晶體涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，隨著層數(shù)、激光功率的增加或掃描速度的降低，二十面體準(zhǔn)晶i-Al91Fe4Cr5相的體積分?jǐn)?shù)降低，十方準(zhǔn)晶d-Al65Cu20Fe10Cr5和四方晶體θ-Al2Cu 的體積分?jǐn)?shù)增加，這是由于輸入較高的能量或較厚的涂層厚度降低了熔體的冷卻速率和過冷度，導(dǎo)致十方準(zhǔn)晶甚至非多面體晶體更容易形成，而不是轉(zhuǎn)變?yōu)槎骟w準(zhǔn)晶。

Saager 等[15]利用單槍電子束沉積工藝，在基底上獲得了Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶涂層，發(fā)現(xiàn)涂層與靶材成分存在一定偏差。Bonasso 等[16]利用三槍電子束，在超高真空室中將Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶薄膜成功沉積到基底上，薄膜平整且均勻，成分為Al62Cu25.5Fe12.5。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，電子束沉積工藝得到的涂層的成分與初始靶材的成分有一定程度的偏差[17-18]。

Fu 等人[19]研究了超音速火焰噴涂與低壓等離子噴涂制備的準(zhǔn)晶薄膜的區(qū)別。與低壓等離子噴涂相比，由于原料的氧化和氣化較少，HVOF 技術(shù)制備的Al-Cu-Cr 涂層中含有更多的準(zhǔn)晶相，表現(xiàn)出較低的孔隙率和較高的硬度，并且具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)。這是由于顆粒沖擊破壞行為可以減少飛濺，使涂層變形和致密化，而HVOF 所獲得的顆粒撞擊破壞行為更加猛烈。隨著HVOF 能量的增加，涂層中ε、α 和θ等晶相的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，但二十面體準(zhǔn)晶的體積分?jǐn)?shù)下降，這是因?yàn)檩^高的能量會降低涂層的冷卻速率，并增加鋁顆粒的氧化和氣化。

Gomes 等人[20]使用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了Al59.2Cu25.5Fe12.3B3準(zhǔn)晶涂層，并檢測了涂層中裂紋與氧燃料比的關(guān)系。結(jié)果顯示，使用輕微氧化火焰形成的涂層的裂紋密度更高，在滲碳?xì)夥罩谐练e的涂層（O/K=0.98）表現(xiàn)出最高的完整性。Polishchuk 等人[21]通過電子束沉積工藝，在不同溫度下，將組分為Al-Cu-Fe 的靶材沉積到不同的基底上形成準(zhǔn)晶體涂層。研究表明，在不同溫度（720～910 K）下沉積到不同基材（鋼K600、K890、K110）上的Al-Cu-Fe涂層的臨界涂層厚度不同，如果超出特定溫度與基底所對應(yīng)的臨界涂層厚度，會出現(xiàn)通道開裂現(xiàn)象。當(dāng)薄膜的厚度超過臨界值以后，進(jìn)一步增大時(shí)，還會觀察到涂層中出現(xiàn)強(qiáng)烈的裂紋現(xiàn)象。

總體而言，噴涂工藝生產(chǎn)效率高，適用于獲得較厚且對綜合性能要求較高的涂層，但表面會形成氣孔，導(dǎo)致涂層的致密性較差[22]。電子束沉積工藝制備的涂層成分與初始靶材的成分有較大的偏差，激光熔覆技術(shù)可以精準(zhǔn)地控制涂層的成分，但與噴涂工藝缺點(diǎn)類似，也會在涂層表面留下氣孔，影響涂層質(zhì)量。在之后的研究工作中，應(yīng)當(dāng)深入了解各種工藝參數(shù)對物理氣相沉積技術(shù)的影響機(jī)理，以便做出質(zhì)量更加優(yōu)良的涂層。

1.2 薄膜工藝

Olsson 等人[23]通過磁控濺射制備了多層Al-Cu-Fe薄膜，并分別在Al2O3和Si 襯底上退火成準(zhǔn)晶相和近似相，研究了Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體和Al(Si)CuFe 近似薄膜的力學(xué)、摩擦學(xué)性能。Moskalewicz 等人[24]通過非反應(yīng)性磁控濺射在TIMETAL 834 鈦合金上沉積了Al-Cu-Fe、Al-Cu-Fe-Cr 和Al-Co-Fe-Cr 多組分涂層。Huang 等人[25]采用磁控濺射技術(shù)制備了TiZrNi 薄膜，首次發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了以Ti34Zr49Ni17為合金靶，并且襯底沉積溫度為450 ℃的納米準(zhǔn)晶相。在給定的TiZrNi合金靶成分下，TiZrNi 膜中準(zhǔn)晶相的形成對基底溫度（可調(diào)范圍極窄，且小于100 ℃）非常敏感。當(dāng)基底溫度在400～500 ℃范圍內(nèi)時(shí)，在TiZrNi 膜中檢測到準(zhǔn)晶相占主導(dǎo)。此外，還發(fā)現(xiàn)在不同的襯底溫度下制備的TiZrNi 膜的組成非常相似，且非常接近理想的準(zhǔn)晶相。

利用不同的物理氣相沉積工藝沉積之后，還需要后續(xù)的熱處理工藝才能獲得準(zhǔn)晶薄膜。后續(xù)熱處理的時(shí)間、溫度等因素決定了薄膜的組織[26]。Parsamehr等人[27]研究了退火時(shí)間對Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體薄膜形成的影響。結(jié)果表明，延長退火時(shí)間，對準(zhǔn)晶體的形成和力學(xué)性能的提升具有積極的影響：準(zhǔn)晶體的結(jié)晶度從退火5 h 的24.8%增加到退火15 h 的84.3%。此外，在一定范圍內(nèi)，隨著退火時(shí)間的延長，二十面體準(zhǔn)晶相的穩(wěn)定性不斷增加。Polishchuk 等人[28]采用磁控濺射法在560 ℃的Si(100)基底上制備了Al-Cu-Fe-B 準(zhǔn)晶體薄膜。通過X 射線衍射和曲率法對其中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了表征，該熱應(yīng)力值與由薄膜與基底熱膨脹系數(shù)錯配所估算的值接近，由此可以說明熱應(yīng)力是薄膜總殘余應(yīng)力的主要來源。磁控濺射最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地控制薄膜成分，使薄膜成分盡可能與靶材成分相一致，但在沉積過程中，入射離子能量低，會導(dǎo)致膜基結(jié)合力差[29-30]。

Ushakov 等[31]利用真空蒸鍍技術(shù)對靶材進(jìn)行間接加熱，制備了組分為Al-Cu-Fe 的準(zhǔn)晶薄膜。Takeda等[32]將鎢絲作為熱源，鎢絲溫度升高以后，會對靶材進(jìn)行加熱，使其蒸發(fā)，之后在高真空條件下制備出Al63Cu23Fe14準(zhǔn)晶薄膜。真空蒸鍍最大的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得很高的溫度，所以可以用來蒸發(fā)高熔點(diǎn)的金屬和化合物。Yadav 等人[33]通過閃蒸法在玻璃基板上形成了Al-Ga-Pd-Mn 膜。最初，Al-Ga-Pd-Mn 膜為非晶態(tài)，為準(zhǔn)晶二十面體相細(xì)晶粒，經(jīng)300 ℃退火120 h 后，該相完全轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)晶相。

值得注意的是，常用的薄膜技術(shù)—電弧離子鍍，并沒有用于準(zhǔn)晶薄膜制備，原因在于較難控制薄膜成分，但電弧離子鍍技術(shù)具有入射粒子能量高、靶材的離化率高（70%～80%）、膜基結(jié)合力強(qiáng)、繞鍍性好、沉積溫度較低等優(yōu)異特點(diǎn)[34-36]。相信在不久的將來，電弧離子鍍技術(shù)在準(zhǔn)晶薄膜領(lǐng)域會得到快速發(fā)展，并獲得廣泛應(yīng)用。

在薄膜領(lǐng)域，比較常用的技術(shù)工藝有磁控濺射、真空蒸鍍、電弧離子鍍等幾種，磁控濺射技術(shù)因其能精準(zhǔn)地控制薄膜的成分而被使用得最為廣泛，但在使用過程中受到多種工藝參數(shù)的影響，且在薄膜表面會留下細(xì)微的氣孔，使得薄膜質(zhì)量不能得到保證。電弧離子鍍技術(shù)因其離化率高、入射離子能量高，可以得到致密的薄膜，克服了表面出現(xiàn)氣孔這一缺點(diǎn)，但電弧離子鍍技術(shù)對鍍膜溫度的把控要求較高，極易在薄膜內(nèi)層中留下大顆粒，導(dǎo)致薄膜成分不均勻，影響薄膜綜合質(zhì)量[35]。為了消除這一缺陷，科研人員多采用磁過濾的方式過濾掉大顆粒，雖然鍍膜效率會有一定程度的下降，但薄膜的質(zhì)量會得到大幅度的提升，總體而言，利大于弊。

2 準(zhǔn)晶涂層和薄膜的相變過程

熔融態(tài)制備的準(zhǔn)晶體是通過包晶反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的：液相+β-立方準(zhǔn)晶體[37]。物理氣相沉積制備的薄膜，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)與制備工藝和后續(xù)熱處理相關(guān)。

F?rster 等[38]研究了BaTiO3晶體薄膜系統(tǒng)中準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，兩種周期性材料之間界面處的錯配，會促使薄膜產(chǎn)生非周期性的準(zhǔn)晶相。

Parsamehr 等[39]利用磁控濺射制備了Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體薄膜，并使用原位同步加速XRD 和原位TEM，直接觀察了薄膜的整個(gè)過程。鍍膜完成后，對薄膜進(jìn)行后續(xù)熱處理工藝。加熱到175 ℃時(shí)，AlCu 相形成。溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，AlCu 相開始向Al2Cu 相轉(zhuǎn)變。在200～350 ℃之間，AlCu 相與Al2Cu 相共存。進(jìn)一步升高到470 ℃時(shí)，從二元共存的Al2Cu 相和AlCu相演變到以β-Al(CuFe)相為主的三元共存區(qū)。當(dāng)溫度達(dá)到 540 ℃時(shí)，除了 β 相外，還觀察到了 ω 相（ω-AlCuFe 相）。這說明，在高溫下，三元相的熱力學(xué)比二元相更穩(wěn)定。樣品達(dá)到580 ℃并在此溫度下保持20 min 后，大部分β 相已變?yōu)棣?相。持續(xù)升溫到710 ℃時(shí)，所有相突然消失，大部分區(qū)域變成液體。繼續(xù)升溫到800 ℃并放置40 min，沒有新相出現(xiàn)。隨后冷卻至室溫，冷卻過程中，660 ℃時(shí)，準(zhǔn)晶i 相直接在液相中析出形核，710 ℃和800 ℃觀察到的彌散的納米晶粒則充當(dāng)了準(zhǔn)晶相的晶種。由此可以更加精準(zhǔn)地指導(dǎo)準(zhǔn)晶薄膜的制備。

同時(shí)，Parsamehr 等[40]還觀察了熱噴涂沉積Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體涂層的整個(gè)過程。相形成順序可以總結(jié)如下：當(dāng)樣品通過熱噴涂在室溫下沉積時(shí)，β 立方相占主導(dǎo)地位（60.6%）。隨著溫度升高至490～650 ℃，i 準(zhǔn)晶相的數(shù)量不斷增加（室溫時(shí)為31.6%，650 ℃時(shí)為58.3%），與熱力學(xué)計(jì)算相符。隨著溫度進(jìn)一步升高至800～870 ℃，i 準(zhǔn)晶相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相。870 ℃后，僅檢測到β 相與液相共存。從這些觀察結(jié)果可以得出結(jié)論，650 ℃是獲得最大準(zhǔn)晶相收率的關(guān)鍵溫度。

通過上述兩個(gè)實(shí)例不難發(fā)現(xiàn)，涂層及薄膜的制備過程中，準(zhǔn)晶體通過包晶反應(yīng)產(chǎn)生：首先對制備好的涂層或薄膜進(jìn)行熱處理，到達(dá)一定的溫度，液相與β晶體相共存，之后進(jìn)行冷卻，在冷卻過程中，準(zhǔn)晶相在液相中直接析出，原有β 晶體相減少，充當(dāng)了新生成準(zhǔn)晶相的晶種。由此，可以更深入地了解熱處理過程中準(zhǔn)晶相的形成機(jī)理，為準(zhǔn)晶材料的加工和設(shè)計(jì)提供了啟示。

3 準(zhǔn)晶涂層及薄膜的性能

準(zhǔn)晶涂層和薄膜具有抗氧化、耐磨、耐腐蝕、表面能低等優(yōu)異特性，雖然目前尚無投入實(shí)際應(yīng)用的準(zhǔn)晶涂層及薄膜，但是已經(jīng)有大量相關(guān)研究，預(yù)示著其應(yīng)用潛力。

3.1 抗氧化性

Tomasz 等人[41]為了改善TIMETAL 834 鈦合金基底超過600 ℃時(shí)的抗氧化性，通過磁控濺射沉積了Al-Cu-Fe、Al-Cu-Fe-Cr 多組分涂層。在靜態(tài)空氣中，于750 ℃下進(jìn)行了300 h 的抗氧化性測試。結(jié)果顯示，在不含準(zhǔn)晶涂層的合金氧化過程中，發(fā)生了氧化皮剝落現(xiàn)象，并帶有碎屑跡象，而被準(zhǔn)晶涂層包覆的合金則沒有任何脫落趨勢。高溫（750 ℃）下的抗氧化性通過涂層的沉積得以顯著提高，這主要是由于保護(hù)性α-Al2O3氧化層的出現(xiàn)。

Jamshidi 等[42]探究了Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶薄膜表面氧化行為，將基底是否含有準(zhǔn)晶薄膜作為變量設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，通過電子天平測量兩種樣品的增重情況，檢測其氧化行為。結(jié)果表明，含有準(zhǔn)晶薄膜的樣品增重遠(yuǎn)小于不含準(zhǔn)晶薄膜的樣品，且準(zhǔn)晶薄膜表面致密，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。這是因?yàn)闇?zhǔn)晶薄膜表面形成了光滑致密的Al2O3氧化層，因而具有良好的抗氧化性。

3.2 摩擦與磨損性能

Sales 等人[43]研究了由電子束物理蒸氣產(chǎn)生的含準(zhǔn)晶（Ψ 相）和雙相（Ψ+β-立方相）的Al-Cu-Fe 涂層的摩擦學(xué)特性。摩擦和微動磨損的研究結(jié)果表明，復(fù)合涂層（雙相）的摩擦系數(shù)（相對于硬鋼）接近二十面體涂層（≈0.2～0.3），而耐磨性卻更高。同時(shí)，雙相涂層中存在的易延展的立方相阻止了在磨損痕跡下的開裂過程，并促進(jìn)了涂層耐久性的提高，所以雙相涂層與準(zhǔn)晶涂層相比，磨損更低。Zhou 等人[44]通過低壓等離子噴涂法（LPPS），在鈦合金上制備了一種耐磨的Al-Cu-Fe-Cr 準(zhǔn)晶體涂層，主要由十方相和少量立方相組成。Al-Cu-Fe-Cr 準(zhǔn)晶體涂層由于自身具有高硬度，在干滑動磨損測試條件下表現(xiàn)出了出色的耐磨性。本質(zhì)上是，在脆性的準(zhǔn)晶涂層的滑動過程中，由斷裂機(jī)理產(chǎn)生的部分磨損碎屑保留在表面軌道中，準(zhǔn)晶體涂層在該表面軌道中連續(xù)磨損，并最終在高溫下氧化。

董闖課題組[45]將Al62Cu25.5Fe12.5二十面體準(zhǔn)晶作為磨料，與傳統(tǒng)硬質(zhì)磨料（如金剛石、Al2O3和SiO2等）進(jìn)行對比，研究其在研磨金屬（如鋁、銅合金和不銹鋼）時(shí)的摩擦磨損行為，尤其關(guān)注準(zhǔn)晶獨(dú)特的碾磨機(jī)制，建立了相關(guān)幾何模型，定量描述了準(zhǔn)晶磨料對軟金屬的碾磨主導(dǎo)機(jī)制。同時(shí)揭示了準(zhǔn)晶碾磨所帶來的特有的不銹鋼表面鈍化增強(qiáng)效應(yīng)。提出了一種區(qū)別傳統(tǒng)磨料的不銹鋼表面預(yù)處理方法，可明顯提高不銹鋼鈍化特性和耐蝕性能。

張濤課題組[46]將基于二十面體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的復(fù)雜合金粉末用于固體潤滑劑，其摩擦阻力損失是普通潤滑劑的1/3，使用壽命是普通潤滑油的3～4 倍，潤滑性能增強(qiáng)了5～6 倍，工作效率大幅度提高。該應(yīng)用充分發(fā)揮了這類材料的特殊性能：低彈性和高硬度使粉末材料在摩擦副之間形成了既耐磨又減摩的保護(hù)層，且具有修復(fù)表面缺陷的功能；較高的化學(xué)惰性使得這類添加劑非常穩(wěn)定；而準(zhǔn)晶材料的脆性又恰恰有利于微粉材料的制備。這是我國研究人員在準(zhǔn)晶應(yīng)用領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，對推動整個(gè)準(zhǔn)晶材料的研究具有十分重要的意義[47]。

3.3 耐腐蝕性

Zhou 等人[48]研究了鈦合金和鈦合金上的Al-Cu- Fe-Cr 準(zhǔn)晶涂層在650、700、750 ℃下存在固態(tài)NaCl沉積時(shí)的熱腐蝕行為。結(jié)果表明，鈦合金的增重動力學(xué)表現(xiàn)出線性增速規(guī)律，而Al-Cu-Fe-Cr 準(zhǔn)晶涂層的動力學(xué)表現(xiàn)出拋物線生長規(guī)律。通過涂覆 Al-Cu- Fe-Cr 準(zhǔn)晶涂層可以提高鈦合金的耐腐蝕性，主要是由于表面存在氧化層Al2O3。Balbyshev 等人[49]在對準(zhǔn)晶體薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)處于沉積狀態(tài)的Al-Co-Fe-Cr 準(zhǔn)晶體薄膜具有獨(dú)特的腐蝕防護(hù)性能。長時(shí)間電解液侵蝕下的高抵抗力，使這些涂料成為飛機(jī)鋁合金腐蝕防護(hù)表面處理的突出候選材料。

Wolf 等[50]通過快冷技術(shù)制備了 Al-Cu-Fe 和Al-Cu-Fe-Cr 兩種熔紡薄帶，探究了Cr 元素對準(zhǔn)晶耐腐蝕性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加3% Cr 元素時(shí)，薄帶中二十面體準(zhǔn)晶相和十方準(zhǔn)晶相共存，當(dāng)Cr 元素的含量達(dá)到8%時(shí)，薄帶中僅含有十方準(zhǔn)晶相。表明添加Cr 元素會提高準(zhǔn)晶的耐腐蝕能力，且隨著Cr元素的增加，抗腐蝕能力有一定程度的升高。

3.4 低表面能及不粘性

Parsamehr 等[38]利用熱噴涂技術(shù)沉積了Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶體涂層，通過測量涂層的水接觸角來探究涂層的表面能。通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)晶體涂層的水接觸角比未涂覆涂層的基底大，表面能比基底小，即準(zhǔn)晶體涂層表現(xiàn)出了優(yōu)異的不粘性能。此外，準(zhǔn)晶體涂層經(jīng)過650 ℃退火后，水接觸角由最初的54.3°增大到135°，表面能進(jìn)一步降低，足以媲美聚四氟乙烯材料。

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，Parsamehr 課題組[26]利用磁控濺射技術(shù)制備了Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體薄膜，并探究退火時(shí)間對準(zhǔn)晶薄膜不粘性能的影響。對相同成分含量的Al-Cu-Fe 準(zhǔn)晶體薄膜分別進(jìn)行5、10、15 h 的退火，結(jié)果表明：退火5 h 后，水接觸角為98°；退后10 h時(shí)，接觸角為108°；退火15 h 后，水接觸角達(dá)到最大值127°?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著退火時(shí)間的延長，準(zhǔn)晶薄膜的表面能不斷降低，主要原因是隨著時(shí)間的延長，薄膜中準(zhǔn)晶相的含量不斷升高。

4 研究趨勢及展望

準(zhǔn)晶是一類特殊的材料，集表面能低、硬度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性差、耐腐蝕等特性于一身，但是脆性大和鑄態(tài)疏松等缺點(diǎn)限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，而薄膜化和表面化可最大限度地利用其優(yōu)點(diǎn)。但是直至目前，多元合金薄膜的成分和結(jié)構(gòu)控制對于物理氣相沉積都是極為困難的，還需要深入探討如下方面：

1）應(yīng)用先進(jìn)涂層和薄膜的制備技術(shù)，制備出致密和高界面結(jié)合力的準(zhǔn)晶涂層和薄膜[51-52]。目前受限于制備技術(shù)，涂層質(zhì)量需要提升，需引入先進(jìn)的薄膜制備工藝，尤其是物理氣相沉積技術(shù)，制備出高質(zhì)量純凈相和高膜基結(jié)合力的準(zhǔn)晶薄膜，以體現(xiàn)準(zhǔn)晶本身的特性。

2）準(zhǔn)晶相的形成過程[53-55]。對于不同的制備方法和準(zhǔn)晶體系，準(zhǔn)晶的形成路徑不同，且往往需要后續(xù)熱處理才能形成。因此，需要摸索出可直接形成準(zhǔn)晶態(tài)涂層和薄膜的工藝。

3）關(guān)注準(zhǔn)晶在低表面能、不粘性、減摩性等領(lǐng)域的應(yīng)用[56-58]，尤其需要關(guān)注不粘鍋涂層、耐磨減摩、固體潤滑劑、磨料、不銹鋼鈍化等方面的應(yīng)用。此外，還需要引入團(tuán)簇加連接原子模型、第一性原理計(jì)算等方法，對準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)行為進(jìn)行探索，重新審視準(zhǔn)晶體系，發(fā)展穩(wěn)態(tài)且具有高耐蝕能力的新準(zhǔn)晶。