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Neuartiger keramischer Superhartstoff: Kubisches Siliciumnitrid

04.11.1999 - (idw) Technische Universität Darmstadt

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT
PRESSEMITTEILUNG
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Materialwissenschaftlern der Technischen Universität Darmstadt ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut Mainz und der Cornell University in Ithaca (USA) gelungen, eine neuartiges keramisches Material herzustellen, das sich durch besondere Härte auszeichnet. Vom Werkstoff Siliciumnitrid Si3N4, der zum Beispiel in Schneid-werkzeugen, Kugellagern und im Motorenbau zur Anwendung kommt, kannte man bislang die beiden hexagonalen Modifikationen a- und ß-Si3N4. Die Forschergruppe hat nun eine weitere Si3N4-Form synthetisiert, ihre Struktur entschlüsselt und einige Eigenschaften untersucht; die Ergebnisse wurden in der renommierten US-amerikanischen Zeitschrift "Nature" kürzlich veröffentlicht (Nature, volume 400, page 340). Die neuartige Si3N4-Modifikation entsteht bei Temperaturen um 2000 K und Drücken von 15 GPa (150 kbar) aus den Elementen Silicium und Stickstoff bzw. aus der a- oder der ß-Phase oder aus amorphen Vorstufen.
Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenbeugung an Pulverproben ergaben, dass das Material eine kubische Spinellstruktur besitzt. Dieser Kristallstrukturtyp zeichnet sich durch eine sechsfache Koordination eines Teils der Silicium-Atome mit Stickstoff-Atomen aus, die so bisher noch nicht für Festkörper beschrieben wurde. Die Dichte des neuen kubischen Si3N4 von 3,9 g/cm3 liegt deutlich über den Werten der be-kannten a- und ß-Si3N4-Phasen von ~3,2 g/cm3. Aus theoretischen Überlegungen und Computerberechnungen geht hervor, dass der neue Stoff vermutlich 20 bis 30 Prozent härter ist als die beiden bekannten hexagonalen Siliciumnitridformen. Damit liegt seine Härte in der Nähe des härtesten Oxids, Stishovit, das nach Diamant und kubischem Bornitrid das dritthärteste Material ist. Das kubische Siliciumnitrid ist unter Normaldruck bis mindestens 700 K stabil.

Informationen: Fachbereich Materialwissenschaft der TU Darmstadt, Fachgebiet Disperse Feststoffe, Prof. Dr. Ralf Riedel, Telefon: 06151/16-6347, E-mail: dg9b@hrzpub.tu-darmstadt.de, oder Dr. Edwin Kroke, Telefon: 06151/16-6345, E-mail: kroke@hrzpub.tu-darmstadt.de

4.11.99, 3/11/99
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