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氮化矽—德國科學家研制出世界第二個硬度的透明陶瓷材料

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氮化矽—德國科學家研制出世界第二個硬度的透明陶瓷材料

發布日期:2017-04-09 作者: 點擊:

       德國電子同步加速器研究中心(DESY)的科學家研制出繼金剛石之後,世界上第二個硬度最大的透明陶瓷材料——立方氮化矽(c-Si3N4)。c-Si3N4也是繼金剛石和立方氮化硼之後,世界上第三個硬度最高的陶瓷材料,但氮化硼不具備透明性質,且金剛石所能承受的最高溫度為750℃,而德國研制的c-Si3N4透明陶瓷材料能承受的最高溫度達1400℃,展現出優異的耐高溫性能,不僅如此,由于Si元素和N元素的化學鍵非常堅固, c-Si3N4化學性質極其穩定,具有較好的環境穩定性。因此未來可用于處于極端環境的部件結構中,如發動機,球軸承部件和切削工具等。 

       在大氣壓條件下,氮化矽晶體結構是六方結構,經過燒結之後是不透明的。而在13萬多倍大氣壓的條件下,氮化矽的六方結構則轉變為立方對稱結構,也稱為“尖晶石結構”,與鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)透明陶瓷具有相同結構。 

DESY的科學家們在大容量壓縮設備(LVP)中對六方氮化矽施加高溫高壓後,在壓強15.6Gpa(15.6萬倍大氣壓)和1800℃條件下制備出直徑2毫米的c-Si3N4透明陶瓷圓片,是氮化矽陶瓷首個透明樣品。 

       c-Si3N4材料的XRD晶體結構分析結果表明,制備的c-Si3N4材料完全轉變為立方相。DESY的科學家表示,氮化矽材料的六方結構向立方結構的轉變與碳材料的轉變類似,碳材料在常溫常壓下為六方結構,施加高溫高壓後轉變為透明的金剛石,也為立方結構。 

       氮化矽的透明度與其内部的晶界有關,晶界中的空隙将降低其透明度。但日本東京大學的專家稱,對于經過高壓形成的材料來說,其晶界一般都非常薄,一些空位如氧空位也不會聚集在晶界周圍,而是分布在整個材料範圍内,所以對其透明度的影響不大。 

       c-Si3N4材料是目前最硬、強度最高的透明尖晶石陶瓷材料,将對未來超硬、高強度、耐高溫結構中發揮重要作用。


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