Kysy useimmilta, mikä on maailman vaikein materiaali, ja he todennäköisesti vastaavat ”timanttiin”. Sen nimi tulee kreikan sanasta ἀδάμας (adámas) tarkoittaa ”särkymätön” tai ”voittamaton” ja on peräisin, jossa saamme sana ”adamant”. Diamondin kovuus antaa sille uskomattomat leikkauskyvyt, jotka kauneutensa ohella ovat pitäneet sen suuressa kysynnässä tuhansien vuosien ajan.,
nykytutkijat ovat vuosikymmeniä etsineet halvempia, kovempia ja käytännöllisempiä vaihtoehtoja, ja muutaman vuoden välein uutiset ennakoivat uuden ”maailman kovimman materiaalin”luomista. Mutta onko kukaan näistä haastajista todella valmis raapimaan?
ainutlaatuisesta alluristaan huolimatta timantti on yksinkertaisesti hiilen erityinen muoto eli ”allotropi”. Hiiliperheessä on useita allotrooppeja, kuten hiilinanoputkia, amorfista hiiltä, timanttia ja grafiittia., Kaikki koostuvat hiiliatomeista, mutta niiden väliset atomisidostyypit eroavat toisistaan, mikä synnyttää erilaisia materiaalirakenteita ja-ominaisuuksia.
jokaisen hiiliatomin uloimmalla kuorella on neljä elektronia. Timantissa nämä elektronit jaetaan neljän muun hiiliatomin kanssa muodostaen erittäin vahvoja kemiallisia sidoksia, jolloin syntyy äärimmäisen jäykkä tetraedrinen kide. Juuri tämä yksinkertainen, tiukasti sidottu järjestely tekee timantista yhden maailman kovimmista aineista.
kuinka kovaa?
kovuus on materiaalien tärkeä ominaisuus ja määrittää usein, mihin niitä voidaan käyttää, mutta sitä on myös melko vaikea määritellä. Mineraaleille naarmujen kovuus on mittari siitä, kuinka vastustuskykyinen se on toisen mineraalin naarmuuntumiselle.
kovuuden mittaamiseen on useita tapoja, mutta tyypillisesti instrumenttia käytetään tekemään lommo materiaalin pintaan. Sisennyksen pinta-alan ja sen tekemiseen käytetyn voiman suhde tuottaa kovuusarvon. Mitä kovempi materiaali, sitä suurempi arvo., Vickersin kovuustestissä käytetään neliöpohjaista pyramiditimanttikärkeä sisennyksen tekemiseen.
teräs on Vickersin kovuuden arvo on noin 9 GPa, kun diamond on Vickersin kovuuden arvo noin 70 – 100 GPa. Diamond vastustuskykyä kulumista vastaan on legendaarinen ja tänään 70% maailman luonnon timantteja löytyy kulutusta kestävät pinnoitteet työkaluja käytetään leikkaus, poraus ja hionta, tai lisäaineina hioma.
timantin ongelma on se, että vaikka se voi olla hyvin kova, se on myös yllättävän epävakaa., Kun timantti kuumennetaan yli 800℃ ilmassa, sen kemialliset ominaisuudet muuttuvat, mikä vaikuttaa sen lujuuteen ja mahdollistaa sen reagoimisen raudan kanssa, mikä tekee siitä sopimattoman teräksen työstöön.
nämä rajoitukset sen käytölle ovat johtaneet kasvavaan keskittymiseen uusien, kemiallisesti stabiilien, superhard-materiaalien kehittämiseen korvikkeena. Parempien kulutusta kestävien pinnoitteiden ansiosta Teolliset työkalut kestävät pidempään kuluneiden osien vaihtamisen välillä ja vähentävät mahdollisesti Ympäristölle vaarallisten jäähdytysaineiden tarvetta. Tutkijat ovat tähän mennessä onnistuneet löytämään useita mahdollisia kilpailijoita Diamondille.,
boorinitridi
synteettinen materiaali, boorinitridi, ensimmäinen tuotettu vuonna 1957, on samanlainen kuin hiilen, että se on useita allotropes. Kuutiomuodossaan (c-BN) sillä on sama kiderakenne kuin timantilla, mutta hiiliatomien sijaan se koostuu boorin ja typen vuorotellen sidotuista atomeista. C-BN on kemiallisesti ja termisesti vakaa, ja sitä käytetään nykyään yleisesti yli-inhimillisenä työstökoneena autoteollisuudessa ja ilmailuteollisuudessa.,
Mutta boorinitridi on edelleen parhaimmillaan vain maailman toiseksi vaikein materiaalin Vickers-kovuus on noin 50 GPa. Sen kuusikulmainen muoto (l-BN) oli alun perin raportoitu olevan jopa vaikeampaa, mutta nämä tulokset perustuivat teoreettisen simulaatiot ennustivat loveus vahvuus 18% suurempi kuin timantti. Valitettavasti w-BN on erittäin harvinainen luonteeltaan ja vaikea tuottaa riittävästi oikein testata tätä väitettä kokeilemalla.
Synteettinen timantti
Synteettinen timantti on myös ollut olemassa 1950-luvulta lähtien ja sen kerrotaan usein olevan vaikeampaa kuin luonnon timantti sen erilaisen kiderakenteen vuoksi. Sitä voidaan valmistaa soveltamalla grafiittiin korkeapainetta ja lämpötilaa pakottamalla sen rakenne järjestymään tetraedriseksi timantiksi, mutta tämä on hidasta ja kallista. Toinen tapa on rakentaa se tehokkaasti hiiliatomeilla, jotka on otettu lämmitetyistä hiilivetykaasuista, mutta alustamateriaalin tyypit, joita voit käyttää, ovat rajallisia.,
tuottaa timantteja synteettisesti luo kiviä, jotka ovat monikiteisiä ja koostuvat paljon pienempien kristalliittien tai ”jyvien” aggregaateista, jotka vaihtelevat muutamasta mikronista useisiin nanometreihin. Tämä on ristiriidassa koruihin käytettävien luonnonrikkaiden suurten monokrystaalien kanssa. Mitä pienempi raekoko, sitä enemmän raerajoja ja mitä kovempi materiaali. Viimeaikaiset tutkimukset joidenkin synteettisten timantti on osoittanut, että se on Vickers kovuus jopa 200 GPa.
Q-carbon
viime aikoina Pohjois-Carolinan osavaltionyliopiston tutkijat loivat sen, mitä he kuvailivat uudeksi hiilen muodoksi, erotukseksi muista allotrooppeista, ja raportoivat olevansa timanttia kovempia. Tämä uusi muoto tehtiin kuumentamalla ei-kiteistä hiiltä suuritehoisella nopealla laserpulssilla 3 700 °C: seen ja sitten nopeasti jäähdyttämällä tai ”sammuttamalla” sitä – siis nimeä ”Q-hiili” – muodostaen mikronikokoisia timantteja.,
tutkijat havaitsivat Q-hiilen olevan 60% kovempaa kuin timanttimaisen hiilen (amorfisen hiilen tyyppi, jolla on samanlaiset ominaisuudet kuin timantilla). Tämä on saanut heidät odottamaan, että Q-carbon on vaikeampaa kuin diamond itse, vaikka tämä on edelleen todistettava kokeellisesti. Q-carbonilla on myös poikkeuksellisia ominaisuuksia olla magneettinen ja hehkuva valolle altistuessaan. Mutta toistaiseksi sen pääasiallinen käyttö on ollut välivaiheena pienten synteettisten timanttihiukkasten tuottamisessa huoneenlämmössä ja paineessa., Nämä nanodiamondit ovat liian pieniä koruille, mutta ihanteellinen halvaksi pinnoitemateriaaliksi leikkaamiseen ja kiillotukseen.