Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.
Лонсдейлит
Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 ГПа
Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле
Алмаз до сих пор остается эталоном твёрдости и используется в различных методиках измерения механической твёрдости материалов (методы Роквелла, Виккерса, Мооса). Но существуют материалы, не только сравнимые по твердости с алмазом, но и превосходящие его по этой характеристике.
В статье журнала «Популярная механика» для сравнения материалов приведена их микротвёрдость по Виккерсу. Сверхтвёрдыми считаются материалы, твёрдость которых превышает 40 ГПа. Для «эталонного» алмаза этот показатель может колебаться в пределах 70 -150 ГПа в зависимости от его чистоты и метода получения (как правило, приводится величина твёрдости алмаза 115 ГПа). То же самое относится и к другим материалам: их твёрдость меняется в зависимости от условий синтеза образца, а иногда варьируется и в зависимости от направления приложенной к нему нагрузки.
1. Фуллерит (до 310 ГПа)
Полимеризованный фуллерит — самое твёрдое вещество, известное науке на данный момент. Он представляет собой молекулярный кристалл — структуру, в узлах которой находятся не отдельные атомы, а целые молекулы (фуллерены — одна из аллотропных модификаций углерода, по форме напоминающая футбольные мячики). Фуллерит оставляет царапины на алмазной поверхности, как на пластмассе.
2. Лонсдейлит (до 152 ГПа)
Предсказание существования лонсдейлита практически совпало по времени с его обнаружением в природе. Эта аллотропная модификация углерода, во многом похожая на алмаз, была найдена в метеоритном кратере. Но природный лонсдейлит, который, вероятно, образовался из графита, входившего в состав метеорита, не отличался рекордной твёрдостью. Лишь в 2009 году ученые доказали, что в отсутствии примесей лонсдейлит может быть твёрже алмаза. Высокую твёрдость ему придает примерно тот же механизм, который действует в случае вюртцитного нитрида бора.
3. Вюртцитный нитрид бора (до 114 ГПа)
Нитрид бора с вюртцитной (плотной гексагональной) кристаллической структурой твёрже, чем кажется: в момент приложения нагрузки он претерпевает локальные структурные модификации, межатомные связи в его решетке перераспределяются, и твёрдость материала вырастает на 78%.
4. Наноструктурированный кубонит (до 108 ГПа)
Кубический нитрид бора был впервые получен в 1957 году Робертом Венторфом (Robert H. Wentorf Jr.) для компании General Electric. В 1969 году компания зарегистрировала торговую марку «Боразон» для кристалла.
В СССР кубический нитрид бора был впервые синтезирован в Институте физики высоких давлений Академии наук под руководством академика Л. Ф. Верещагина. С 1965 года эльбор синтезировался в промышленных масштабах по технологии Абразивного (Ленинград).
Уникальные свойства кубонита (также известного под названиями эльбора, боразона и кингсонгита) широко используются в промышленности. Твёрдость кубонита (кубической модификации нитрида бора) близка к алмазной и составляет 80−90 ГПа. В силу закона Холла-Петча, уменьшение размера кристаллических зерен ведет к увеличению твёрдости, и ученые доказали, что наноструктурирование кубонита способно увеличить его твёрдость до 108 ГПа.
5. Нитрид углерода-бора (до 76 ГПа)
Атомы азота, углерода и бора близки по размерам. Углерод и бор образуют схожие кристаллические структуры, отличающиеся высокой твёрдостью. Ученые предпринимают попытки синтезировать сверхтвёрдые материалы, состоящие из атомов всех трех типов — и не безуспешно: например, кубическая модификация BC2N демонстрирует твёрдость 76 Гпа.
6. Карбид бора (до 72 ГПа)
Карбид бора — распространенный в современной промышленности материал — был получен еще в позапрошлом веке. Его микротвёрдость (49 ГПа) может быть значительно повышена введением в кристаллическую решетку ионов аргона — до 72 ГПа.
7. Бор-углерод-кремний (до 70 ГПа)
Сплавы на основе системы бор-углерод-кремний чрезвычайно устойчивы к химическому воздействию и высокой температуры, они отличаются высокой микротвёрдостью, достигающей 70 ГПа (для B4C-B4Si)
8. Борид магния-алюминия (до 51 ГПа)
Сплав бора, магния и алюминия известен своим низким коэффициентом трения скольжения (если бы этот материал не был так дорог, его можно было бы использовать для изготовления машин и механизмов, работающих без смазки) и высокой твёрдостью. Тонкие пленки AlMgB14, полученные методомимпульсного лазерного напыления, демонстрируют микротвёрдость до 51 ГПа.
9. Диборид рения (до 48 ГПа)
Механические свойства соединения бора и рения весьма необычны: из-за послойного чередования различных атомов диборид рения анизотропен, т. е.при измерении твёрдости по различным кристаллографическим плоскостям получаются разные значения. При испытаниях под малой нагрузкой диборид рения демонстрирует твёрдость 48 ГПа, однако при увеличении нагрузки значение твёрдости резко падает, устанавливаясь на уровне примерно 22 ГПа. Поэтому некоторые исследователи сомневаются, нужно ли причислять диборид рения к сверхтвёрдым материалам.
10. Монокристаллический субоксид бора (до 45 ГПа)
Субоксид бора, содержащий «недостаточное» количество атомов кислорода, явно демонстрирует свойства керамических материалов: высокую прочность, химическую инертность, устойчивость к истиранию при относительно невысокой плотности. Субоксид бора способен образовывать зерна в форме икосаэдров, которые не являются ни отдельными кристаллами, ни квазикристаллами — это кристаллы-двойники, стоящие из 20 «сросшихся» кристаллов-тетраэдров. Твёрдость монокристаллов субоксида бора составляет 45 ГПа.
Фуллерит
Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире — фуллерит. Фуллерит — это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов. Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита — 310 ГПа.
Фуллерит
Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и ,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!
Эльбор
Эльбор иначе называют кингсонгит и боразон. Материал этот практически такой же твердый, как и алмаз. Благодаря этому он широко используется в обработке различных твердых сплавов. Эльбор является природной модификацией нитрида бора.
Эльбор — единственное соединение бора, которой образуется в недрах нашей планеты. Остальные минералы, в состав которых входит бор, зарождаются около поверхности Земли.
Эльбор удалось обнаружить в части земной коры, которая в ходе эволюции планеты словно бы «нырнула» под соседнюю литосферную плиту. На глубине более трех сотен километров при температуре около 1200 градусов произошли химические превращения, в результате которых и появился этот сверхтвердый минерал. Случилось это примерно 180 миллионов лет назад.
Вместе прочнее
Один металл – это хорошо, но в некоторых сочетаниях возможно придание сплаву удивительных свойств.
Сверхпрочный сплав титана и золота – единственный крепкий материал, который оказался биосовместимым с живыми тканями. Сплав beta-Ti3Au настолько прочный, что его невозможно измельчить в ступке. Уже сегодня ясно, что это будущее различных имплантатов, искусственных суставов и костей. Кроме того, он может быть применен в буровом производстве, изготовлении спортивного снаряжения и во многих других областях нашей жизни.
Подобными свойствами может обладать и сплав палладия, серебра и некоторых металлоидов. Над этим проектом сегодня работают ученые института Калтека.
Мартенситно-стареющая сталь
Общая информация:
- Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
- Предел упругости – 1500 Мпа;
- KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.
Мартенситно-стареющая сталь
Общая информация:
- Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
- Предел упругости – 1500 Мпа;
- KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.
Мартенситно-стареющие стали – сплавы железа, обладающие высокой прочностью при ударах, при этом не теряющие тягучести. Несмотря на такие характеристики, материал не держит режущую кромку. Полученные путем термообработки сплавы – это низкоуглеродистые вещества, берущие прочность от интерметаллидов. В состав сплава входит никель, кобальт и другие карбидообразующие элементы. Данная разновидность высокопрочной, высоколегированной стали легко поддается обработке, связано это с небольшим содержанием в ее составе углерода. Материал с такими характеристиками нашел применение в аэрокосмической области, его используют в качестве покрытия ракетных корпусов.
Будущее по 20 долларов за моток
Какой самый твердый материал уже сегодня может купить любой обыватель? Всего за 20 долларов можно купить 6 метров ленты Braeön. С 2022 года она поступила в продажу от производителя Дастина Маквильямса. Химический состав и способ производства хранятся в строгом секрете, но качества ее поражают.
Лентой можно скрепить абсолютно все. Для этого ее необходимо обмотать вокруг скрепляемых деталей, разогреть обычной зажигалкой, придать пластичному составу нужную форму и все. После остывания стык выдержит нагрузку в 1 тонну.
Чудеса живой природы
Среди живых существ на нашей планете есть такие, у которых имеется что-то совершенно особенное.
- Паутина Caerostris darwini. Нить, которую выделяет паук Дарвина, прочнее стали и тверже кевлара. Именно эта паутина была взята учеными НАСА на вооружение при разработке космических защитных костюмов.
- Зубы моллюска Морское блюдечко – их волокнистая структура сегодня изучается бионикой. Они настолько прочные, что позволяют моллюску отодрать водоросли, вросшие в камень.
Карбин
Общая информация:
- Дата открытия – начало 60-х годов;
- Первооткрыватели – Сладков, Кудрявцев, Коршак, Касаткин;
- Плотность – 1,9-2 г/см3.
В недавнем времени научные сотрудники из Австрии завершили работу по налаживанию устойчивого изготовления карбина, являющегося аллотропной формой углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Показатели его прочности в 40 раз превзошли показатели алмаза. Информация об этом была размещена в одном из номеров научного печатного периодического издания “Nature Materials”.
Строение карбина
После тщательного изучения его свойств, ученые пояснили, что по прочности он не сравнится ни с одним ранее открытым и изученным материалом. Тем не менее в процессе производства возникли значительные трудности: структура карбина образована из атомов углерода, собранных в длинные цепочки, в результате чего он начинает разрушаться в процессе изготовления.
Для устранения выявленной загвоздки, физики из общественного университета в Вене создали специальное защитное покрытие, в котором и синтезировался карбин. В качестве защитного покрытия использовались слои графена, положенные друг на друга и свернутые в «термос». Пока физики прилагали все усилия для достижения стабильных форм, они выяснили, на электрические свойства материала влияет протяженность атомной цепочки.
Извлекать карбин из защитного покрытия без повреждений исследователи так и не научились, поэтому изучение нового материала продолжается, руководствуются ученые только лишь относительной устойчивостью атомных цепочек.
Карбин
Карбин – малоизученная аллотропная модификация углерода, первооткрывателями которой стали советские ученые-химики: А.М.Сладков, Ю.П.Кудрявцев, В.В.Коршак и В.И.Касаточкин. Информация о результате проведения опыта с подробным описанием открытия материала в 1967 году появилась на страницах одного из крупнейших научных журналов – «Доклады академии наук СССР». Спустя 15 лет в американском научном журнале «Science» появилась статья, поставившая под сомнение результаты, которые получили советские химики. Выяснилось, что присвоенные малоизученной аллотропной модификации углерода сигналы могли быть связаны с присутствием примесей силикатов. С годами подобные сигналы обнаружили в межзвездном пространстве.
