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德国电子同步加速器研究所(DESY)开发出使用透明陶瓷制造超硬窗户的技术

2017-03-20 287浏览 标签: 德国陶瓷

2017317日,科学家们在德国电子同步加速器研究所(DESY)合成了一种广泛使用的工业陶瓷——立方氮化硅的首个透明样品。正如此日本-德国团队在《科学报告》杂志上报道中描述的,该团队制备出了一个由立方氮化硅制成的超硬窗,具有在极端条件下,如发动机中使用的潜力。立方氮化硅(c-Si3N4)在高压下形成,是金刚石之后第二硬的透明纳米陶瓷,可以承受相当高的温度。

此篇学术论文的第一作者、来自DESYNorimasa Nishiyama博士解释说:“氮化硅是工业中非常受欢迎的陶瓷,它主要用于汽车和飞机工业中的球轴承、切削工具和发动机零件。”Norimasa Nishiyama现在是东京工业大学副教授。此种陶瓷非常稳定,因为其中的硅氮键非常坚固。在普通大气压力下,氮化硅具有六方晶体结构,该种晶体结构组成的烧结陶瓷是不透明的。

在超过普通大气压十三万倍的压力下,氮化硅转变成具有立方对称性的晶体结构,专家称之为尖晶石型晶体结构。人工尖晶石(MgAl2O4)在工业中作为透明陶瓷具有广泛的应用。Nishiyama说:“氮化硅的立方相最初是由德国达姆施塔特工业大学的一个研究小组于1999年合成的,但是科学家们对这种材料的知识非常有限。”在此次的研究中,Nishiyama的团队在DESY使用大容量压机large volume press (LVP))将六方氮化硅暴露于高压和高温中。在约15.6万倍大气压(15.6GPa)和1800℃的温度下,形成了直径约为2毫米的透明立方氮化硅片。“这是这种材料的第一个透明样品。”Nishiyama强调说。

该团队科学家已经预见到他们的超硬窗的各种工业应用。Nishiyama解释说:“立方氮化硅是迄今为止最坚硬的透明尖晶石陶瓷,是已知的第三硬的陶瓷,仅排在金刚石和立方氮化硼之后。但是硼化合物不透明,金刚石在空气中只能稳定到约750摄氏度。而立方氮化硅在高达1400摄氏度时是透明和稳定的。”

然而,由于合成透明立方氮化硅所需的强大压力,科学家们可能获得的透明窗口的尺寸由于实际原因而受到限制。Nishiyama说:“用于制备立方氮化硅的原材料较为便宜,但是为了生产宏观透明样品,我们需要高强度的压力,大约需要使用制造人造金刚石时所需压力的两倍,制造直径为15毫米的窗户相对容易。但是要获得任何大于1厘米的任何东西都将是困难的。”

图:DESY合成的一个透明多晶立方氮化硅样品

图:立方氮化硅的透射电子显微镜图片,平均粒径约为150纳米

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