近日，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(jiàn)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用在發(fā)動(dòng)機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(jiàn)的陶瓷材料，它主要應用于汽車(chē)和航空器產(chǎn)業(yè)中的滾珠軸承、切屑刀具和發(fā)動(dòng)機零部件等。氮化硅中的極強的氮硅鍵使該陶瓷非常穩定。在常壓下，氮化硅具有六方晶體結構并且這種相在燒結后是不透明的。燒結是在一定溫度和壓力下使陶瓷從顆粒材料形成宏觀(guān)結構的過(guò)程。這項工藝被廣泛應用于從陶瓷軸承到人造牙齒等一系列工業(yè)產(chǎn)品中。
在相當于大氣壓13萬(wàn)倍的高壓下，氮化硅轉變?yōu)榫哂辛⒎綄ΨQ(chēng)性的晶體結構，學(xué)者們稱(chēng)之為尖晶石型，該名稱(chēng)來(lái)源于一種常見(jiàn)的寶石的結構。
人造的尖晶石（MgAl2O4）廣泛應用于工業(yè)中的透明陶瓷。在1999年，達姆施塔特工業(yè)大學(xué)的一個(gè)研究小組就第一次合成了立方的氮化硅，但當時(shí)對這種材料的理解非常有限。德國團隊在DESY利用一個(gè)大體積壓機將六方氮化硅置于高溫高壓下。在約大氣壓的15.6萬(wàn)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(xiàn)光源的第三代正負電子串聯(lián)環(huán)形加速器（PETRA III）分析該樣品的晶體結構，結果顯示氮化硅完全轉變成了立方相。這種轉變類(lèi)似于常溫常壓下六方結構的碳在高壓下轉變?yōu)橥该鞯牧⒎较嗟慕饎偸?，而氮化硅的透明度強烈依?lài)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最強最硬的透明尖晶石型陶瓷?？茖W(xué)家們已經(jīng)預見(jiàn)了它作為超強視窗的多種工業(yè)應用。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℃下保持穩定。立方氮化硅既透明又能在1400℃下保持穩定。
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實(shí)踐上的原因而受到限制。原材料是很廉價(jià)的，但是生產(chǎn)宏觀(guān)可見(jiàn)的透明氮化硅樣品，需要相當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(guò)1cm的樣品卻很難。
資料來(lái)源：材料牛
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