Сверхтвердыми материалами называют вещества, которые имеют твердость выше 40 гигапаскалей (ГПа). Эта величина присуща твердости кубического поликристаллического нитрида бора, классического сверхтвердого материала. А твердость материала – это свойство, которое традиционно измеряется путем царапанья. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость.
Принято считать, что самым твердым материалом на планете является алмаз. Среди известных обычному человеку веществ именно он взят за эталон твердости. Однако, он не самый оптимальный материал, так как имеет свойство гореть в кислородной атмосфере, являясь элементарным углеродом. К тому же алмаз не может резать сталь.
В нашем мире есть материалы, которые по своим характеристикам немногим уступают алмазу по своей прочности. Одни из них можно встретить в природных условиях, а другие были разработаны человеком в лабораторных условиях. Поиски материалов, тверже алмаза, все же не перестают вестись. Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в наноструктурировании. Как известно, и саму прочность алмаза можно повысить, если применить к нему эту технологию.
А недавно исследователями Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов был открыт фуллерит, который царапает и сам алмаз! Его назвали ультратвердым материалом, и он является трехмерным полимером, полученным в результате воздействия высокого давления на исходное вещество. Расскажем обо всех самых твердых веществах планеты по порядку.
- Субоксид бора имеет твердость до 45 ГПа. Содержание малого количества атомов кислорода в его решетке обеспечивает субоксиду бора характеристики, свойственные керамическим материалам. Вещество имеет качества химической инертности, повышенной прочности, устойчивости к истиранию при невысоких показателях плотности.
- Диборид рения. Имеет весьма необычные механические свойства соединения. Послойное чередование разных атомов делает материал анизотропным. При малых нагрузках на него обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость диборида рения становится в 2 раза меньше и составляет 22 ГПа.
- Борид магния-алюминия. Вещество создано из смеси алюминия, магния и бора. Имеет невысокие показатели трения скольжения, а также высокую твердость до 51 ГПа. У него есть весь потенциал для применения в различных механизмах, работающих без смазки.
- Бор-углерод-кремний — твердость до 70 ГПа. Структура данного вещества обеспечивает ему оптимальную устойчивость к химическим воздействиям и высокой температуре.
- Карбид бора. Еще одно удивительное соединение бора. Было изобретено в 18 веке. Твердость материала достигает 49 ГПа. Однако если к его кристаллической решетке присоединить ионы аргона, то она может увеличиться до 72 ГПа.
- Нитрид углерода-бора имеет твердость до 76 ГПа. Компонентами соединения являются атомы бора, углерода и азота.
- Наноструктурированный кубонит. В целом твердость этого соединения составлят 80-90 ГПа. Но по закону Холла-Петча, при уменьшении размеров кристаллических зерен кубонита увеличивается твердость всего материала при увеличении до 108 ГПа.
- Вюртцитный нитрид бора выделяется своей твердость до 114 ГПа. Если применить высокое давление к нитриту бора в месте контакта с индентором w-BN, то вещество претерпевает структурные преобразования с перераспределением межатомных связей, становясь невероятно твердым.
- Лонсдейлит имеет невероятную твердость до 152 ГПа. Материал является аллотропной модификацией углерода. Был обнаружен в кратере метеорита, образовавшись из графита. В отсутствие примесей имеет сверхтвердость, превышающую твердость алмаза. Высокие показатели обеспечиваются посредством преобразования кристаллической решетки атомов вещества.
- Фуллерит. Его твердость может достигать около 310 ГПа. Считается самым твердым материалом, известным науке на сегодняшний день. Это структурированный молекулярный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из отдельных атомов. Фуллерит способен спокойно поцарапать алмаз, как металлический нож, режущий пластиковую поверхность.
