[科普中國(guó)]-超結(jié)構(gòu)

超結(jié)構(gòu)（superstructure）在某些合金“固溶體”中，當(dāng)緩慢冷卻達(dá)到一定溫度時(shí)，原來(lái)呈無(wú)序分布的溶質(zhì)原子將變?yōu)橛行蚍植?，即占?jù)溶劑晶體點(diǎn)陣中一定的位置。這種固溶體稱為有序固溶體，其所形成的晶體點(diǎn)陣稱為超結(jié)構(gòu)。隨著超結(jié)構(gòu)的形成，合金的性能發(fā)生突變，如硬度增高而電阻、塑性降低等。

概念解釋超結(jié)構(gòu)也稱超點(diǎn)陣，是有序固溶體結(jié)構(gòu)的通稱。在通常的無(wú)序固溶體中，晶胞內(nèi)各個(gè)座位是等同的（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是統(tǒng)計(jì)地等同），各組元的原子以完全雜亂的方式來(lái)占據(jù)各個(gè)座位；當(dāng)固溶體有序化后，晶胞中的各個(gè)座位變得不等同了，不同組元的原子分別優(yōu)先占有特定的座位。這樣就導(dǎo)致原來(lái)等同的平行原子平面變得不等同了，有序固溶體的多（或單）晶衍射圖樣中出現(xiàn)一些原先所沒(méi)有的線（或斑點(diǎn)），通稱為超結(jié)構(gòu)線（或斑點(diǎn)）。在有序化過(guò)程中（見(jiàn)有序－無(wú)序相變），這些超結(jié)構(gòu)線（或斑點(diǎn)）的強(qiáng)度逐漸增大，而且愈來(lái)愈明銳。當(dāng)完全有序?qū)崿F(xiàn)以后，晶體的結(jié)構(gòu)類型就發(fā)生變化，有時(shí)甚至點(diǎn)陣類型也發(fā)生變化。

許多固溶體在低溫時(shí)會(huì)成為有序固溶體，此時(shí)異類原子趨于相鄰，這種相稱為超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。只有在理想
配比成分并具有簡(jiǎn)單金屬晶體結(jié)構(gòu)的理想單晶體中，才有可能得到完全有序的排列狀態(tài)。實(shí)際上，由于晶體中存在各種缺陷和晶界，因此絕大多數(shù)情況下，不可能存在完全有序的狀態(tài)。當(dāng)固溶體成分不在理想配比值時(shí)，有序化程度還要減小,進(jìn)行有序化的溫度也比理想成分低，此外，有序化還伴隨其它性質(zhì)（如硬度、導(dǎo)電率）的變化。當(dāng)異類原子的作用力很強(qiáng)時(shí),發(fā)生無(wú)序的臨界溫度Tc可以高于材料的熔點(diǎn)。具有這種特性的合金就很象化合物。當(dāng)作用力不太強(qiáng)時(shí)，一個(gè)有序固溶體到了某一臨界溫度就有可能成為無(wú)序固溶體，即使其成分對(duì)應(yīng)于象化合物那樣的理想配比值。許多典型的合金相在溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生這種變化。1

示例廣義超結(jié)構(gòu)是指在一定結(jié)構(gòu)層次基礎(chǔ)上形成的某種復(fù)合結(jié)構(gòu)或變異結(jié)構(gòu)。以體心立方結(jié)構(gòu)的成分為50%的CuZn固溶體為例：完全有序化后，晶體結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镃sCl型，而點(diǎn)陣類型也轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單立方型，但習(xí)慣上仍稱之為具有超結(jié)構(gòu)的固溶體。上例中超結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸和原來(lái)相同，但也有不少固溶體中超結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)導(dǎo)致晶胞尺寸變大。 最突出的例子是一些具有長(zhǎng)周期的超結(jié)構(gòu)，如CuAull，晶胞在一個(gè)方向擴(kuò)大10倍?，F(xiàn)今有人采用濺射或蒸發(fā)的方法人工制備具有長(zhǎng)周期超結(jié)構(gòu)的合金材料，研究其異常的物理性能。

超結(jié)構(gòu)是指適當(dāng)成分的合金在較高溫度形成無(wú)序的固溶體，當(dāng)溫度降到臨界溫度Tc時(shí)變成的原子分布規(guī)則化的結(jié)構(gòu)。如原子比為1∶3的Au–Cu合金在高于Tc=395℃時(shí)是無(wú)序的固溶體，在Tc時(shí)合金變成有序化的結(jié)構(gòu)，Au占據(jù)面心立方晶格的角頂位置，Cu占據(jù)晶格的6個(gè)面心位置。對(duì)比同一成分的兩個(gè)試樣，一個(gè)試樣在高于Tc溫度下淬火，另一試樣在低于Tc的溫度下長(zhǎng)時(shí)間退火，發(fā)現(xiàn)后者的X射線衍射圖出現(xiàn)了超結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的衍射條紋。
合金中出現(xiàn)超結(jié)構(gòu)時(shí)其物理性質(zhì)如比熱、導(dǎo)熱性和磁性也發(fā)生明顯變化。這是合金無(wú)序與有序間的轉(zhuǎn)變，一般屬于二級(jí)相變。2

合金的超結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭箚?wèn)題具體明了，現(xiàn)以β-黃銅的超晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槔懻揃W近似方法。

對(duì)于β-黃銅，NA =NB =N/2。在完全有序態(tài)情況下，A原子全部處于a座，B原子全部處于b座，A，B原子全部是正確原子。隨著溫度上升，b座上將出現(xiàn)A原子，a座上將出現(xiàn)B原子，這些原子是差錯(cuò)原子，它們的出現(xiàn)使晶體的有序態(tài)受到破壞。如以參數(shù)r表示占據(jù)a座的A原子的分?jǐn)?shù)，則在任意溫度下a座上的A原子（正確A原子）數(shù)NA（a）為Nr/2，b座上的A原子（差錯(cuò)A原子）數(shù)NA（b）為N/2(1-r)。由于b座上出現(xiàn)多少個(gè)A原子，就有多少個(gè)B原子轉(zhuǎn)移到a座上，故a座上的B原子（差錯(cuò)B原子）數(shù)NB（a）為N/2(1-r)，又由于a，b座數(shù)目一樣多，故b座上的B原子（正確B原子）數(shù)NB（b）為Nr/2。a座上的A原子數(shù)、b座上的B原子數(shù)均為號(hào)時(shí)，晶體完全有序，此時(shí)，r=1。當(dāng)差錯(cuò)原子數(shù)和正確原子數(shù)一樣多時(shí)，即a座上的A原子數(shù)和b座上的A原子數(shù)均為N/4，a座上的B原子數(shù)和b座上的B原子數(shù)亦均為N/4時(shí)，晶體完全無(wú)序，此時(shí)，r =1/2，故r可稱為序參數(shù)，其變化范圍為1/2≤r≤1。

由β-黃銅的晶體結(jié)構(gòu)（體心立方晶格）可知，最近鄰原子對(duì)由a座上的原子和近鄰b座上的原子組成。由于a座（或b座）數(shù)等于N/2，如配位數(shù)設(shè)為z，則最近鄰原子對(duì)總數(shù)為zN/2。設(shè)A（a）-A（b）最近鄰對(duì)數(shù)NAA =zNξ/2，則B（a）-B（b）對(duì)數(shù)NBB亦為zNξ/2。因?yàn)閍座上的A原子共Nr/2個(gè)，可組成zNr/2個(gè)最近鄰對(duì)，故A（a）-B（b）對(duì)數(shù)NAB =zNr/2-zNξ/2 =zN/2(r-ξ)，而A（b）-B（a）對(duì)數(shù)NBA =zN/2-NAA-NBB-NAB =zN(1-r-ξ)。3

概念推廣又如合金體系A(chǔ)B中，由A和B原子分別占據(jù)立方晶胞原點(diǎn)和體心位置的結(jié)構(gòu)，相對(duì)于以二個(gè)統(tǒng)計(jì)原子占據(jù)晶胞原點(diǎn)與體心位置的固溶體形態(tài)是一種全有序的超結(jié)構(gòu)。某些合金，當(dāng)其成分接近一定原子比例時(shí)，較高溫度下短程有序。緩冷到某一溫度會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆行?，這樣的固溶體稱為有序固溶體，也叫超結(jié)構(gòu)。蛋白分子中由α-螺旋與β-折疊二級(jí)蛋白分子結(jié)構(gòu)交替連接形成的折疊是一種超二級(jí)結(jié)構(gòu)。血紅蛋白中由兩個(gè)α亞基與兩個(gè)β亞基組成的α2-β2四聚體是具有協(xié)同載氧和脫氧生物活性的超分子結(jié)構(gòu)。

所有可能的流程結(jié)構(gòu)都是超結(jié)構(gòu)的一個(gè)子集。超結(jié)構(gòu)中包括了所有可能的結(jié)構(gòu)單元。其結(jié)構(gòu)參數(shù)為分流系數(shù)。分流系數(shù)值取1或0意味著對(duì)應(yīng)的流程存在或不存在。運(yùn)用混合0-1整數(shù)非線性規(guī)劃方法優(yōu)化，超結(jié)構(gòu)可解決系統(tǒng)綜合問(wèn)題。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)