德國電子同步加速器研究中心（DESY）的科學家研制出繼金剛石之后，世界上第二個硬度最大的透明陶瓷材料——立方氮化硅（c-Si3N4）。c-Si3N4也是繼金剛石和立方氮化硼之后，世界上第三個硬度最高的陶瓷材料，但氮化硼不具備透明性質，且金剛石所能承受的最高溫度為750℃，而德國研制的c-Si3N4透明陶瓷材料能承受的最高溫度達1400℃，展現出優異的耐高溫性能，不僅如此，由于Si元素和N元素的化學鍵非常堅固， c-Si3N4化學性質極其穩定，具有較好的環境穩定性。因此未來可用于處于極端環境的部件結構中，如發動機，球軸承部件和切削工具等。

    在大氣壓條件下，氮化硅晶體結構是六方結構，經過燒結之后是不透明的。而在13萬多倍大氣壓的條件下，氮化硅的六方結構則轉變為立方對稱結構，也稱為“尖晶石結構”，與鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）透明陶瓷具有相同結構。

    DESY的科學家們在大容量壓縮設備（LVP）中對六方氮化硅施加高溫高壓后，在壓強15.6Gpa（15.6萬倍大氣壓）和1800℃條件下制備出直徑2毫米的c-Si3N4透明陶瓷圓片，是氮化硅陶瓷首個透明樣品。

    c-Si3N4材料的XRD晶體結構分析結果表明，制備的c-Si3N4材料完全轉變為立方相。DESY的科學家表示，氮化硅材料的六方結構向立方結構的轉變與碳材料的轉變類似，碳材料在常溫常壓下為六方結構，施加高溫高壓后轉變為透明的金剛石，也為立方結構。

    氮化硅的透明度與其內部的晶界有關，晶界中的空隙將降低其透明度。但日本東京大學的專家稱，對于經過高壓形成的材料來說，其晶界一般都非常薄，一些空位如氧空位也不會聚集在晶界周圍，而是分布在整個材料范圍內，所以對其透明度的影響不大。

    c-Si3N4材料是目前最硬、強度最高的透明尖晶石陶瓷材料，將對未來超硬、高強度、耐高溫結構中發揮重要作用。雖然其原材料易于獲取，成本較低，但生產大面積的c-Si3N4材料需要施加更大的壓力，因此制備直徑1至5毫米的c-Si3N4材料相對容易，制備直徑超過1厘米的c-Si3N4材料將面臨較大挑戰。（中國航天系統科學與工程研究院  特日格樂）

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責任編輯：劉洋

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