科學(xué)家們成功制備了高強度的立方氮化硅，竟然是透明的！這是迄今為止最硬的透明陶瓷材料，目測要成為連阿湯哥都撞不破的窗子了！透明的立方氮化硅能夠在1400℃下保持穩(wěn)定，有望作為各種極端條件下的視窗材料。

    德國電子同步加速器研究所（DESY）的研究者們首次合成了一種常見的工業(yè)陶瓷的透明樣品。據(jù)該日德團(tuán)隊所述，這種透明立方氮化硅材料可以應(yīng)用在發(fā)動機(jī)等極端條件下作為超強視窗。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)動機(jī)零部件等。”DESY的論文第一作者，同時也是東京工業(yè)大學(xué)的副教授Norimasa Nishiyama博士說。氮化硅中的極強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ΨQ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)的一個研究小組就第一次合成了立方的氮化硅，但當(dāng)時對這種材料的理解非常有限。Nishiyama的團(tuán)隊在DESY利用一個大體積壓機(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。Nishiyama表示，這是首次合成這種材料的透明樣品。

    利用DESY的一臺能夠提供X射線光源的第三代正負(fù)電子串聯(lián)環(huán)形加速器（PETRA III）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璧耐该鞫葟娏乙蕾囉谒木Ы纾Яｉg的縫隙和氣孔會提高它的不透明度。”Nishiyama解釋道。

    在東京大學(xué)的一臺掃描透射電子顯微鏡下觀察顯示該高壓樣品，發(fā)現(xiàn)它只有非常窄的晶界。并且在高壓相中，氧雜質(zhì)分布在整個材料中，而不是如同在低壓相中聚集在晶界處，這對提高材料的透明度至關(guān)重要。

    立方氮化硅是迄今為止制備出的最強最硬的透明尖晶石型陶瓷。科學(xué)家們已經(jīng)預(yù)見了它作為超強視窗的多種工業(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`上的原因而受到限制。Nishiyama說道：“原材料是很廉價的，但是生產(chǎn)宏觀可見的透明氮化硅樣品，我們需要相當(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容易的，但是制備直徑超過1cm的樣品卻很難。”

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：劉洋

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414