德國研制出超立方氮化硅透明陶瓷

近日，德國電子同步加速器研究所的研究者們合成了一種常見的工業(yè)陶瓷的透明樣品，這種透明立方氮化硅材料可以應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)等極端條件下作為超強(qiáng)視窗。在高壓下形成的立方氮化硅（c-Si3N4）是硬度略次于金剛石的納米陶瓷，但卻比鉆石能承受更高的溫度。

氮化硅是一種工業(yè)中非常常見的陶瓷材料，它主要應(yīng)用于汽車和航空器產(chǎn)業(yè)中的滾珠軸承、切屑刀具和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。氮化硅中的極強(qiáng)的氮硅鍵使該陶瓷非常穩(wěn)定。在常壓下，氮化硅具有六方晶體結(jié)構(gòu)并且這種相在燒結(jié)后是不透明的。燒結(jié)是在一定溫度和壓力下使陶瓷從顆粒材料形成宏觀結(jié)構(gòu)的過程。這項(xiàng)工藝被廣泛應(yīng)用于從陶瓷軸承到人造牙齒等一系列工業(yè)產(chǎn)品中。

在相當(dāng)于大氣壓13萬倍的高壓下，氮化硅轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛⒎綄?duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)，學(xué)者們稱之為尖晶石型，該名稱來源于一種常見的寶石的結(jié)構(gòu)。

人造的尖晶石（MgAl2O4）廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的透明陶瓷。在1999年，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的一個(gè)研究小組合成了立方的氮化硅，但當(dāng)時(shí)對(duì)這種材料的理解非常有限。德國團(tuán)隊(duì)在DESY利用一個(gè)大體積壓機(jī)將六方氮化硅置于高溫高壓下。在約大氣壓的15.6萬倍（約15.6GPa）的壓力和1800℃下，形成了一片直徑約2mm的立方氮化硅的透明樣品。

利用DESY的一臺(tái)能夠提供X射線光源的第三代正負(fù)電子串聯(lián)環(huán)形加速器 , 分析該樣品的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示氮化硅完全轉(zhuǎn)變成了立方相。這種轉(zhuǎn)變類似于常溫常壓下六方結(jié)構(gòu)的碳在高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯牧⒎较嗟慕饎偸?，而氮化硅的透明度?qiáng)烈依賴于它的晶界，晶粒間的縫隙和氣孔會(huì)提高它的不透明度。

立方氮化硅是迄今為止制備出的較強(qiáng)較硬的透明尖晶石型陶瓷?？茖W(xué)家們已經(jīng)預(yù)見了它作為超強(qiáng)視窗的多種工業(yè)應(yīng)用。立方氮化硅是已知的第三硬的陶瓷，它的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，但是硼化物是不透明的，而金剛石在空氣中僅能在約750℃下保持穩(wěn)定。立方氮化硅既透明又能在1400℃下保持穩(wěn)定。

然而，由于合成這種透明的立方氮化硅需要極高的壓力，制備合適的窗口尺寸的樣品仍然因?qū)嵺`上的原因而受到限。原材料是很廉價(jià)的，但是生產(chǎn)宏觀可見的透明氮化硅樣品，需要相當(dāng)于制備金剛石的兩倍的壓力。制備直徑1～5mm的這種視窗還是相對(duì)容易的，但是制備直徑超過1cm的樣品卻很難。

• 上一個(gè)：氮化硅材料的合成技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用！
• 下一個(gè)：氮化硅陶瓷在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用