0

Прозрачная керамика позволит создать сверхтвердые окна

сверхпрочные стекла из прозрачной керамикиУченые синтезировали первый прозрачный образец популярной промышленной керамики в DESY. В результате получается сверхтвердое окно из кубического нитрида кремния, которое можно использовать в экстремальных условиях, например, в двигателях, как пишет японско-немецкая команда в журнале Scientific Reports. Кубический нитрид кремния (c-Si3N4) образуется под высоким давлением и является второй наиболее твердой прозрачной нанокерамикой после алмаза.

«Нитрид кремния — очень популярная керамика в промышленности, — объясняет ведущий автор Норимаса Нишияма из DESY, который является доцентом Токийского технологического института. «Он в основном используется для шарикоподшипников, режущих инструментов и деталей двигателей в автомобильной и авиационной промышленности». Керамика чрезвычайно стабильна. При атмосферном давлении нитрид кремния имеет гексагональную кристаллическую структуру, а спеченная керамика этой фазы непрозрачна. Спекание — это процесс формирования макроскопических структур из зернистого материала с использованием тепла и давления. Данная технология применяется в широком ассортименте изделий от керамических подшипников до искусственных зубов.

При давлении выше 130 000 атмосфер нитрид кремния трансформируется в кристаллическую структуру с кубической симметрией, которую специалисты называют шпинелью, по аналогии со структурой драгоценного камня. Искусственная шпинель (MgAl2O4) используется в качестве прозрачной керамики в промышленности. «Кубическая фаза нитрида кремния была впервые синтезирована исследовательской группой в Техническом университете Дармштадта в 1999 году, но знания об этом материале очень ограничены», — говорит Нишияма. Его команда использовала большой объемный пресс (LVP) в DESY, чтобы подвергнуть гексагональный нитрид кремния высоким давлениям и температурам. Примерно при 156 тысячах атмосфер (15,6 гигапаскалей) и температуре 1800 градусов Цельсия получили прозрачный кусок кубического нитрида кремния диаметром около двух миллиметров. «Это первый прозрачный образец этого материала, — подчеркивает Нишияма.

сверхпрочные стекла из прозрачной керамики

Анализ кристаллической структуры на PETRA III показал, что нитрид кремния полностью трансформировался в кубическую фазу. «Трансформация аналогична трансформации угля гексагональной кристаллической структуры в условиях окружающей среды в прозрачную кубическую фазу, называемую алмазом при высоких давлениях», — объясняет Нишияма. «Однако прозрачность нитрида кремния зависит от границ зерен». Непрозрачность возникает из-за разрывов и пор между зернами.»

Исследования с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа в Токийском университете показали, что образец высокого давления имеет только очень тонкие границы зерен. «Кроме того, в фазе высокого давления примеси кислорода распределены по всему материалу и не накапливаются на границах зерен, как в фазе низкого давления. Это важно для прозрачности», — говорит Нишияма.

«Кубический нитрид кремния — это самая твердая и прочная прозрачная шпинельная керамика из когда-либо созданных», резюмирует Нишияма. Ученые предвидят различные промышленные применения для своих сверхтвердых окон. «Кубический нитрид кремния является третьим наиболее твёрдым из известных керамических материалов после алмаза и кубического нитрида бора», — объясняет Нишияма. «Но соединения бора не прозрачны, а алмазы стабильны только до 750 градусов по Цельсию в воздухе. Кубический нитрид кремния прозрачен и стабилен до 1400 градусов Цельсия.»

Однако из-за большого давления, необходимого для синтеза прозрачного кубического нитрида кремния, возможный размер окна ограничен практическими соображениями. «Сырье дешево, но для производства макроскопических прозрачных образцов нам нужно примерно в два раза больше давления, чем на искусственные алмазы», ​​- говорит Нишияма. «Относительно легко изготавливать окна диаметром от одного до пяти миллиметров. Но до одного сантиметра будет трудно добраться.»

Дополнительная информация: «Transparent polycrystalline cubic silicon nitride»; Norimasa Nishiyama et al.; Scientific Reports, 2017; DOI: 10.1038/srep44755

Добавлено в: Новости

Оставить ответ

Submit Comment

Яндекс.Метрика Правильный CSS!
© 2014 Химия, опыты, эксперименты! In-chemistry.ru