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完美!德国制备出超高强度立方氮化硅透明陶瓷



  近日,德国电子同步加速器研究中心(DESY)的科学家,利用大腔体压机(Large Volume Press),首次得到了透明的立方氮化硅(c-Si3N4)样品。在高压下形成的立方氮化硅(c-Si3N4)是硬度仅次于金刚石的透明陶瓷材料,却能承受比金刚石更高的温度。金刚石所能承受的最高温度为750℃,而德国研制的立方氮化硅(c-Si3N4)材料能承受的最高温度达到1400℃,展现出优异的耐高温性能。不仅如此,由于Si元素和N元素的化学键非常坚固,立方氮化硅(c-Si3N4)化学性质极其稳定,具有较好的环境稳定性。因此未来可用于处于极端环境的超强视窗或部件结构中,如发动机、球轴承部件和切削工具等。


  DESY的科学家们在大腔体压机(Large Volume Press)中,使用多面砧(Multi-Anvil),对六方氮化硅同时施加高温高压,在压强15.6Gpa(15.6万倍大气压)和1800℃条件下,氮化硅的六方结构转变为立方对称结构(也称为“尖晶石结构”),制备出直径2毫米的立方氮化硅(c-Si3N4)透明陶瓷圆片,这是氮化硅陶瓷首个透明样品。


德国制备出超高强度立方氮化硅透明陶瓷


  XRD晶体结构分析结果表明,制备的立方氮化硅(c-Si3N4)材料完全转变为立方相。DESY的科学家表示,氮化硅材料的六方结构向立方结构的转变与碳材料的转变类似,碳材料在常温常压下为六方结构(石墨),施加高温高压后转变为透明的金刚石,也为立方结构。


  氮化硅的透明度与其内部的晶界有关,晶界中的空隙将降低其透明度。对于经过高压形成的材料来说,其晶界一般都非常薄,一些空位如氧空位也不会聚集在晶界周围,而是分布在整个材料范围内,使得样品具有高透明度。


  立方氮化硅(c-Si3N4)材料是目前最硬、强度最高的透明尖晶石陶瓷材料,将对未来超硬、高强度、耐高温结构中发挥重要作用。


  原文链接:https://bib-pubdb1.desy.de/record/319816/files/srep44755.pdf