世界上最硬的新材料

让更多的孩子得到更好的教育 世界上最硬的新 新近一种世界上最硬的新材料——氮化碳（β－C3N4）问世，迅速引起全世界科学界和技术界的的强烈反响和巨大震动。 1993年7月，美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻：利用激光溅射技术研制成功氮化碳薄膜。明，新材料具有β-C3N4结构，而具有这种结构的晶体硬度将超过日前世界上最硬的金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。 1 科学预言与技术突破 制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。在分析一系列超硬材料结构，如最硬的材料金刚石，体积弹性模量B高达435GPa（吉帕），立方氮化硼B=369GPa，以及硬度相对较低的碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）和氮化硅（Si3N4）等超硬材料后，发现其中β-Si3N4已经有大量的研究结果，于是提出以C取代Si会产生怎样的结果？计算表明，得到的数据令人振奋，β-C3N4晶体的体积弹性模量B=483GPa！而材料的体积弹性模量B的大小正是表征材料硬度高低的宏观物理量。这就从理论上首次预言了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。图1是氮化碳的晶体结构图。 在自然界，至今还没有发现天然存在的氮化碳晶体，而1993年竟然在实验室人工合成硬度超过金刚石的这种新材料。这一轰动性的事件一经在美国《科学》和《纽约时报》上报道，成为轰动性科技新闻后，立即引起全世界材料界的关注。于是世界上许多实验室开展了这项研究，一时间形成热潮。在研究机构、国防部门和公司企业的共同协作下，一些实验室很快取得很好的成果。这有力地说明，学者与企业家携手合作在高新技术发展过程中的重要性。 2 新材料的新技术形成 氮化碳薄膜材料经过一年多的摸索实验，已经发展了若干有效的高新制备技术。 美国哈佛大学采用Nd：YAG激光溅射与荷能离子束方法，美国西北大学采用直流磁控溅射技术，此外，还有激光等离子体淀积法、电子增强热丝化学气相淀积法、直流电弧等离子体化学气相淀积法等，近来又提出准分子激光消融、溅射与低能离子束法、以及电子回旋共振与离子束法等灵巧的制备技术。可见β—C3N4晶体的制备技术有多种，但存在一个共同的关键问题，就是必须使氮在氮化碳薄膜中的含量增加到接近理论数值57％，从而在性能上达到预期的最高硬度等优异性能。 3 高技术应用前景鲜为人知 （1）超硬度 分析表明，表征物质硬度大小的体积弹性模量B强烈依赖物质的化学键长度。具有共价键结合的β-C3N4结构键长比金刚石短，所以这种材料具有极高的硬度，超过金刚石的硬度。因而可以成为各种工业产品表面的抗磨损涂层，从而大大延长产品的寿命，使众多成品更加完善而耐用。 （2）高热导 经实际测量，超硬共价键β-C3N4材料中的声速比β-Si3N4大20%，这表明氮化碳具有高热导率。利用此特性，至少在两个方面有重要的应用。其一是开发高热导率器件；其二是在微电子技术上的应用。特别是在特大规模集成电路中发挥特殊的作用。由于特大规模集成电路一个单片的元器件数目已高达数千万个，因此散热成为不可忽视的问题。利用高热导β-C3N4作为热沉（散热器），可以圆满地把大量元器件散发的热最迅速传导出去，保证以集成电路为核心的各种电子仪器和计算机正常运行。 （3）高稳定 β-C3N4结构中氮元素占4／7，所以，其化学惰性和稳定性比金刚石高，具有比金刚石还要高的耐氧化温度。这对在特殊条件下工作的部件有极重要的应用价值。如高温高压条件下工作的特殊引擎部件，只要在部件表面淀积上一层氮化碳薄膜即可得到有效保护。 （4）巨能隙 β-C3N4晶体的能隙很宽，达到6.3eV（电子伏），比金刚石5.5eV还大。预计可以制备新型激光器件，其波长是以往从来没有达到的范围。又由于这种材料的能隙大小与含氮量有关，所以氮化碳还可以研制新型的可变带隙半导体器件。 （5）非线性 新设计的β-C3N4材料，在结构上C-N键与金刚石的C—C键相类似，而又具有β-Si3N4结构，晶体结构对称性差，因此可以具有很大的非线性光学系数，在光学系统有十分重要的应用前景，固体激光器因受晶体自身的制约，光波长是固定的。为了开拓激光的波长范围，以适应实际技术领域对不同波长激光的需要，利用某些晶体在受到强电磁场作用时产生非线性极化，引起非线性光学效应，可以通过倍频、和频、差频和参量过程，能够得到与入射激光波长不同（颜色不同）的激光。所以具有非线性光学系数的β-C3N4可能是一种能够实现光频变换的新材料。意义重大，有待开发应用。 综上所述，这种新材料在很广的范围内具有优秀的性能，而且这种新材料的合成技术国内是具备的，故完全有条件及早组织研制和开发应用。 PAGE 地址：北京市西城区新德街20号4层 电话：010-82025511 传真：010-82079687 第2页 共2页