德國研製出超高強度立方氮化矽透明陶瓷

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的工業陶瓷的透明樣品，這種透明立方氮化矽材料可以應用在發動機等極端條件下作為超強視窗。在高壓下形成的立方氮化矽（c-Si3N4）是硬度略次於金剛石的納米陶瓷，

但卻比鑽石能承受更高的溫度。

氮化矽是一種工業中非常常見的陶瓷材料，它主要應用於汽車和航空器產業中的滾珠軸承、切屑刀具和發動機零部件等。氮化矽中的極強的氮矽鍵使該陶瓷非常穩定。

在常壓下，氮化矽具有六方晶體結構並且這種相在燒結後是不透明的。燒結是在一定溫度和壓力下使陶瓷從顆粒材料形成宏觀結構的過程。這項工藝被廣泛應用於從陶瓷軸承到人造牙齒等一系列工業產品中。

在相當於大氣壓13萬倍的高壓下，氮化矽轉變為具有立方對稱性的晶體結構，學者們稱之為尖晶石型，該名稱來源於一種常見的寶石的結構。

人造的尖晶石（MgAl2O4）廣泛應用於工業中的透明陶瓷。在1999年，達姆施塔特工業大學的一個研究小組就第一次合成了立方的氮化矽，但當時對這種材料的理解非常有限。德國團隊在DESY利用一個大體積壓機將六方氮化矽置於高溫高壓下。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的立方氮化矽的透明樣品。Nishiyama表示，這是首次合成這種材料的透明樣品。

利用DESY的一台能夠提供X射線光源的第三代正負電子串聯環形加速器（PETRA III）分析該樣品的晶體結構，

結果顯示氮化矽完全轉變成了立方相。這種轉變類似于常溫常壓下六方結構的碳在高壓下轉變為透明的立方相的金剛石，而氮化矽的透明度強烈依賴於它的晶界，晶粒間的縫隙和氣孔會提高它的不透明度。

立方氮化矽是迄今為止製備出的最強最硬的透明尖晶石型陶瓷。科學家們已經預見了它作為超強視窗的多種工業應用。

立方氮化矽是已知的第三硬的陶瓷，它的硬度僅次於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。立方氮化矽既透明又能在1400℃下保持穩定。

然而，由於合成這種透明的立方氮化矽需要極高的壓力，製備合適的視窗尺寸的樣品仍然因實踐上的原因而受到限制。原材料是很廉價的，但是生產宏觀可見的透明氮化矽樣品，

需要相當於製備金剛石的兩倍的壓力。製備直徑1～5mm的這種視窗還是相對容易的，但是製備直徑超過1cm的樣品卻很難。