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Hard and tough novel high-pressure γ-Si_(3)N_(4)/Hf_(3)N_(4) ceramic nanocomposites

Journal of Advanced ceramics 2023年第7期12卷 1418-1429页

作者： Wei Li Zhaoju Yu Leonore Wiehl Tianshu Jiang Ying Zhan Emmanuel III Ricohermoso Martin Etter Emanuel Ionescu Qingbo Wen Christian Lathe Robert Farla Dharma Teppala Teja Sebastian Bruns Marc Widenmeyer Anke Weidenkaff Leopoldo Molina-Luna Ralf Riedel Shrikant Bhat Department of Materials and Earth Sciences Technical University of DarmstadtDarmstadt 64283Germany Key Laboratory of High Performance ceramic Fibers(Xiamen University) Ministry of EducationCollege of MaterialsXiamen UniversityXiamen 361005China Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Hamburg 22607Germany Fraunhofer IWKS Department Digitalization of ResourcesAlzenau 63755Germany State Key Laboratory of Powder Metallurgy Central South UniversityChangsha 410083China Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam Potsdam 14473Germany

Cubic silicon nitride(-Si_(3)N_(4))is superhard and one of the hardest materials after diamond and cubic boron nitride(cBN),but has higher thermal stability in an oxidizing environment than diamond,making it a competitive candidate for technological applications in harsh conditions(e.g.,drill head and abrasives).Here,we report the high-pressure synthesis and characterization of the structural and mechanical properties of a γ-Si_(3)N_(4)/Hf_(3)N_(4) ceramic nanocomposite derived from single-phase amorphous silicon(Si)-hafnium(Hf)-nitrogen(N)*** synthesis of the-Si_(3)N_(4)/Hf_(3)N_(4) nanocomposite is performed at~20 GPa and ca.1500 ℃ in a large volume multi anvil *** structural evolution of the amorphous precursor and its crystallization to-Si_(3)N_(4)/Hf_(3)N_(4) nanocomposites under high pressures is assessed by the in situ synchrotron energy-dispersive X-ray diffraction(ED-XRD)measurements at~19.5 GPa in the temperature range of ca.1000-1900℃.The fracture toughness(K_(IC))of the two-phase nanocomposite amounts~6/6.9 MPa·m^(1/2) and is about 2 times that of single-phaseγ-Si_(3)N_(4),while its hardness of ca.30 GPa remains *** work provides a reliable and feasible route for the synthesis of advanced hard and tough-Si_(3)N_(4)-based nanocomposites with excellent thermal stabililty.

关键词： cubic silicon nitride(γ-Si_(3)N_(4))/Hf_(3)N_(4) ceramic nanocomposites in situ synchrotron radiation mechanical properties thermal stability

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