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德国科学家研制出世界第二个最硬的透明陶瓷材料

发布时间:2017-04-07 14:24:03

    [据spacedaily网站2017年3月21日报道]德国电子同步加速器研究中心(DESY)的科学家研制出继金刚石之后,世界上第二个硬度最大的透明陶瓷材料——立方氮化硅(c-Si3N4)。c-Si3N4也是继金刚石和立方氮化硼之后,世界上第三个硬度最高的陶瓷材料,但氮化硼不具备透明性质,且金刚石所能承受的最高温度为750℃,而德国研制的c-Si3N4透明陶瓷材料能承受的最高温度达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, 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部件结构中,如发动机,球轴承部件和切削工具等。

  在大气压条件下,氮化硅晶体结构是六方结构,经过烧结之后是不透明的。而在13万多倍大气压的条件下,氮化硅的六方结构则转变为立方对称结构,也称为“尖晶石结构”,与镁铝尖晶石(MgAl2O4)透明陶瓷具有相同结构。

  DESY的科学家们在大容量压缩设备(LVP)中对六方氮化硅施加高温高压后,在压强15.6Gpa(15.6万倍大气压)和1800℃条件下制备出直径2毫米的c-Si3N4透明陶瓷圆片,是氮化硅陶瓷首个透明样品。

  c-Si3N4材料的XRD晶体结构分析结果表明,制备的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,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。但日本东京大学的专家称,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,所以对其透明度的影响不大。

  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。虽然其原材料易于获取,成本较低,但生产大面积的c-Si3N4材料需要施加更大的压力,因此制备直径1至5毫米的c-Si3N4材料相对容易,制备直径超过1厘米的c-Si3N4材料将面临较大挑战。