Superharte Fenster aus transparenter Keramik - Photonik

Superharte Fenster aus transparenter Keramik

Forscher haben bei DESY ein Fenster aus kubischem Siliziumnitrid hergestellt, das sich unter extremen Umgebungsbedingen wie z. B. in Motoren einsetzen lässt. Das Material bildet sich unter hohem Druck und ist die zweithärteste Nanokeramik nach Diamant, kann aber wesentlich höheren Temperaturen standhalten.

Bild: Norimasa Nishiyama, DESY/Tokyo Tec
Ein etwa zwei Millimeter großes Fenster aus durchsichtigem polykristallinem kubischem Siliziumnitrid,... mehr...

Siliziumnitrid ist nach Ansicht des DESY-Forschungsleiters Dr. Norimasa Nishiyama eine sehr beliebte Keramik in der Industrie. Der keramische Werkstoff ist extrem stabil, da die Silizium-Stickstoff-Bindung sehr stark ist. Unter Normalbedingungen besitzt Siliziumnitrid eine hexagonale Kristallstruktur, und gesinterte Werkstücke aus diesem Material sind nicht durchsichtig. Sintern bezeichnet das Heißpressen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials zu makroskopischen Werkstücken und ist eine weit verbreitete Technik zur Herstellung einer großen Produktpalette von reibungsarmen keramischen Lagern bis zu Zahnersatz. Bei einem Druck von mehr als 13 Gigapascal (GPa) verändert sich die Kristallstruktur von Siliziumnitrid zu einer kubischen Symmetrie, die Experten als Spinell-Typ bezeichnen. Der namensgebende Spinell (MgAl2O4) ist nicht nur ein beliebter Edelstein, in künstlicher Form findet das keramische Material ebenfalls breite Anwendung in der Industrie.

Nishiyamas Team nutzte eine Hochdruckpresse, um hexagonales Siliziumnitrid hohem Druck und hohen Temperaturen auszusetzen. Bei 15,6 GPa und 1800 °C entstand ein durchsichtiges Stück kubisches Siliziumnitrid mit einem Durchmesser von ungefähr zwei Millimetern. „Es handelt sich um die erste transparente Probe dieses Materials“, betont Nishiyama.

Die Analyse der Kristallstruktur an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III zeigte, dass sich das anfangs hexagonale Siliziumnitrid vollständig in die kubische Form umgewandelt hatte. Die Transformation gleiche der von Kohlenstoff, der ebenfalls eine hexagonale Struktur bei Normalbedingungen besitze und sich unter Hochdruck in eine kubische Variante namens Diamant umwandle, so Nishiyama. Die Transparenz von Siliziumnitrid sei aber stark von den Korngrenzen abhängig und die Undurchsichtigkeit entstünde durch Lücken und Poren zwischen den einzelnen Körnchen.

Untersuchungen mit einem Transmissions-Rasterelektronenmikroskop an der Universität Tokio zeigten, dass die Hochdruck-Probe des Materials nur sehr dünne Korngrenzen besitzt. „Außerdem verteilen sich in der Hochdruck-Phase Sauerstoff-Verunreinigungen in dem gesamten Material und sammeln sich nicht wie unter Normalbedingungen an den Korngrenzen. Das ist entscheidend für die Transparenz“, sagt Nishiyama. Kubisches Siliziumnitrid sei die dritthärteste Keramik, nach Diamant und kubischem Bornitrid, so Nishiyama. Borverbindungen sind jedoch nicht transparent, und Diamant ist an der Luft nur bis etwa 750 °C stabil. Kubisches Siliziumnitrid sei dagegen transparent und bis 1400 °C stabil. Wegen des zur Herstellung nötigen hohen Drucks ist die Fenstergröße allerdings aus praktischen Gründen begrenzt. Es sei relativ einfach, Fenster mit einem Durchmesser von einem bis fünf Millimeter herzustellen, alles über einem Zentimeter schwer zu erreichen .

An der Studie waren auch das Tokyo Institute of Technology, die Universitäten Ehime, Bayreuth und Hirosaki sowie das Japanische Institut für Materialwissenschaften beteiligt.

Originalveröffentlichung:
[Norimasa Nishiyama et al., Transparent polycrystalline cubic silicon nitride, Scientific Reports 7 (2017), DOI: 10.1038/srep44755]

www.desy.de

 
© photonik.de 2017
Alle Rechte vorbehalten

XING

Folgen Sie PHOTONIK auch auf XING

Weitere Titel

Aktuelle Ausgabe
Cover
Ausgabe 02/2017

Photonik ist Fachorgan für:

Termine

30.05.2017 - 01.06.2017
SENSOR+TEST 2017
Details »
30.05.2017 - 30.05.2017
Diodenlaser in der Materialbearbeitung

Systeme, Verfahren, Anwendungen

Details »
30.05.2017 - 30.05.2017
Berührungslose Schichtdickenmessung in der Qualitätskontrolle
Details »
31.05.2017 - 31.05.2017
Kalibrierung des 2D- und 3D- Arbeitsfeldes von Laser-Scan-Systemen
Details »
31.05.2017 - 01.06.2017
Sicherheitskonzepte bei Industrielaseranlagen
Details »