完美!!!超高强度立方氮化硅透明陶瓷

德国电子同步加速器研究所（DESY）的研究者们首次合成了一种常见的工业陶瓷的透明样品。据该日德团队所述，这种透明立方氮化硅材料可以应用在发动机等极端条件下作为超强视窗。在高压下形成的立方氮化硅（c-Si3N4）是硬度略次于金刚石的纳米陶瓷，但却比钻石能承受更高的温度。

“氮化硅是一种工业中非常常见的陶瓷材料，它主要应用于汽车和航空器产业中的滚珠轴承、切屑刀具和发动机零部件等。”DESY的论文第一作者，同时也是东京工业大学的副教授Norimasa Nishiyama博士说。氮化硅中的极强的氮硅键使该陶瓷非常稳定。在常压下，氮化硅具有六方晶体结构并且这种相在烧结后是不透明的。烧结是在一定温度和压力下使陶瓷从颗粒材料形成宏观结构的过程。这项工艺被广泛应用于从陶瓷轴承到人造牙齿等一系列工业产品中。

在相当于大气压13万倍的高压下，氮化硅转变为具有立方对称性的晶体结构，学者们称之为尖晶石型，该名称来源于一种常见的宝石的结构。人造的尖晶石(MgAl2O4)广泛应用于工业中的透明陶瓷。在1999年，达姆施塔特工业大学的一个研究小组就第一次合成了立方的氮化硅，但当时对这种材料的理解非常有限。Nishiyama的团队在DESY利用一个大体积压机将六方氮化硅置于高温高压下。在约大气压的15.6万倍（约15.6GPa）的压力和1800℃下，形成了一片直径约2mm的立方氮化硅的透明样品。Nishiyama表示，这是首次合成这种材料的透明样品。

利用DESY的一台能够提供X射线光源的第三代正负电子串联环形加速器(PETRA III)分析该样品的晶体结构，结果显示氮化硅完全转变成了立方相。“这种转变类似于常温常压下六方结构的碳在高压下转变为透明的立方相的金刚石，而氮化硅的透明度强烈依赖于它的晶界，晶粒间的缝隙和气孔会提高它的不透明度。”Nishiyama解释道。

在东京大学的一台扫描透射电子显微镜下观察显示该高压样品，发现它只有非常窄的晶界。并且在高压相中，氧杂质分布在整个材料中，而不是如同在低压相中聚集在晶界处，这对提高材料的透明度至关重要。

立方氮化硅是迄今为止制备出的最强最硬的透明尖晶石型陶瓷。科学家们已经预见了它作为超强视窗的多种工业应用。立方氮化硅是已知的第三硬的陶瓷，它的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，但是硼化物是不透明的，而金刚石在空气中仅能在约750℃下保持稳定。立方氮化硅既透明又能在1400℃下保持稳定。

然而，由于合成这种透明的立方氮化硅需要极高的压力，制备合适的窗口尺寸的样品仍然因实践上的原因而受到限制。Nishiyama说道：“原材料是很廉价的，但是生产宏观可见的透明氮化硅样品，我们需要相当于制备金刚石的两倍的压力。制备直径1～5mm的这种视窗还是相对容易的，但是制备直径超过1cm的样品却很难。” 

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