Fragen Sie die meisten Menschen, was das härteste Material auf der Erde ist, und sie werden wahrscheinlich „Diamant“ beantworten. Sein Name kommt vom griechischen Wortδδάμας (adámas), was „unzerbrechlich“ oder „unbesiegbar“ bedeutet und von wo wir das Wort „unnachgiebig“bekommen. Die Härte des Diamanten verleiht ihm unglaubliche Schneidfähigkeiten, die ihn – zusammen mit seiner Schönheit-seit Tausenden von Jahren sehr gefragt halten.,
Moderne Wissenschaftler haben jahrzehntelang nach billigeren, härteren und praktischeren Alternativen gesucht und alle paar Jahre kündigen die Nachrichten die Schaffung eines neuen „härtesten Materials der Welt“an. Aber ist einer dieser Herausforderer wirklich auf dem neuesten Stand?
Trotz seines einzigartigen Reizes ist Diamant einfach eine besondere Form oder „Allotrop“ von Kohlenstoff. Es gibt mehrere Allotrope in der Kohlenstofffamilie, einschließlich Kohlenstoffnanoröhren, amorphem Kohlenstoff, Diamant und Graphit., Alle bestehen aus Kohlenstoffatomen, aber die Arten der atomaren Bindungen zwischen ihnen unterscheiden sich, was zu unterschiedlichen materiellen Strukturen und Eigenschaften führt.
Die äußerste Hülle jedes Kohlenstoffatoms hat vier Elektronen. In Diamant werden diese Elektronen mit vier anderen Kohlenstoffatomen geteilt, um sehr starke chemische Bindungen zu bilden, die zu einem extrem starren tetraedrischen Kristall führen. Es ist diese einfache, fest gebundene Anordnung, die Diamant zu einer der härtesten Substanzen der Erde macht.
Wie schwer?
Härte ist eine wichtige Eigenschaft von Materialien und bestimmt oft, wofür sie verwendet werden können, aber es ist auch ziemlich schwierig zu definieren. Bei Mineralien ist die Kratzhärte ein Maß dafür, wie widerstandsfähig sie gegen Kratzer durch ein anderes Mineral ist.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Härte zu messen, aber typischerweise wird ein Instrument verwendet, um eine Delle in der Oberfläche des Materials zu machen. Das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Vertiefung und der Kraft, die verwendet wird, um es zu machen, erzeugt einen Härtewert. Je härter das material, desto größer der Wert., Der Vickers-Härtetest verwendet eine quadratische Pyramidendiamantspitze, um den Einzug herzustellen.
Baustahl hat einen Vickers-Härtewert von etwa 9 GPa, während Diamant einen Vickers-Härtewert von etwa 70-100 GPa aufweist. Die Verschleißfestigkeit von Diamanten ist legendär und heute finden sich 70% der natürlichen Diamanten der Welt in verschleißfesten Beschichtungen für Werkzeuge zum Schneiden, Bohren und Schleifen oder als Zusätze zu Schleifmitteln.
Das Problem mit Diamant ist, dass es zwar sehr hart ist, aber auch überraschend instabil ist., Wenn Diamant in Luft über 800 ° C erhitzt wird, ändern sich seine chemischen Eigenschaften, beeinflussen seine Festigkeit und ermöglichen es ihm, mit Eisen zu reagieren, was es für die Bearbeitung von Stahl ungeeignet macht.
Diese Grenzen seiner Verwendung haben zu einem wachsenden Fokus auf die Entwicklung neuer, chemisch stabiler, superharten Materialien als Ersatz geführt. Bessere verschleißfeste Beschichtungen ermöglichen eine längere Lebensdauer industrieller Werkzeuge zwischen dem Austausch verschlissener Teile und verringern den Bedarf an potenziell umweltgefährdenden Kühlmitteln. Wissenschaftler haben es bisher geschafft, mehrere potenzielle Rivalen für Diamanten zu finden.,
bornitrid
Das synthetische Material Bornitrid, das erstmals 1957 hergestellt wurde, ähnelt Kohlenstoff, da es mehrere Allotrope aufweist. In seiner kubischen Form (c-BN) teilt es die gleiche kristalline Struktur wie Diamant, besteht jedoch anstelle von Kohlenstoffatomen aus abwechselnd gebundenen Atomen aus Bor und Stickstoff. c-BN ist chemisch und thermisch stabil und wird heute häufig als superharte Werkzeugmaschinenbeschichtung in der Automobil-und Luftfahrtindustrie verwendet.,
Aber kubisches Bornitrid ist bestenfalls noch das zweithärteste Material der Welt mit einer Vickers-Härte von rund 50 GPa. Es wurde berichtet, dass seine hexagonale Form (w-BN) anfangs noch härter war, aber diese Ergebnisse basierten auf theoretischen Simulationen, die eine um 18% höhere Einrückungsstärke als Diamant vorhersagten. Leider ist w-BN in der Natur äußerst selten und schwer in ausreichenden Mengen herzustellen, um diesen Anspruch experimentell zu testen.
Synthetischer Diamant
Synthetischer Diamant gibt es ebenfalls seit den 1950er Jahren und wird aufgrund seiner unterschiedlichen Kristallstruktur häufig als härter als natürlicher Diamant bezeichnet. Es kann durch Anlegen von hohem Druck und hoher Temperatur auf Graphit hergestellt werden, um seine Struktur zu zwingen, sich in den tetraedrischen Diamanten umzuordnen, aber dies ist langsam und teuer. Eine andere Methode besteht darin, sie effektiv mit Kohlenstoffatomen aus erhitzten Kohlenwasserstoffgasen aufzubauen, aber die Arten von Substratmaterial, die Sie verwenden können, sind begrenzt.,
Die Herstellung von Diamanten erzeugt synthetisch polykristalline Steine, die aus Aggregaten viel kleinerer Kristallite oder „Körner“ von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Nanometern Größe bestehen. Dies steht im Gegensatz zu den großen Monokristallen der meisten natürlichen Diamanten, die für Schmuck verwendet werden. Je kleiner die Korngröße, desto mehr Korngrenzen und desto härter das Material. Neuere Forschungen an einigen synthetischen Diamanten haben gezeigt, dass sie eine Vickers-Härte von bis zu 200 GPa haben.
Q-carbon
In jüngerer Zeit haben Forscher der North Carolina State University eine neue Form von Kohlenstoff geschaffen, die sich von anderen Allotropen unterscheidet und Berichten zufolge härter ist als Diamant. Diese neue Form wurde hergestellt, indem nichtkristalliner Kohlenstoff mit einem leistungsstarken schnellen Laserimpuls auf 3.700 °C erhitzt und dann schnell abgekühlt oder „abgeschreckt“ wurde-daher der Name „Q-Carbon“–, um Diamanten in Mikrometergröße zu bilden.,
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Q-Carbon 60% härter ist als diamantähnlicher Kohlenstoff (eine Art amorpher Kohlenstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie Diamant). Dies hat dazu geführt, dass sie erwartet haben, dass Q-Carbon härter ist als Diamant selbst, obwohl dies noch experimentell bewiesen werden muss. Q-Carbon hat auch die ungewöhnlichen Eigenschaften, magnetisch zu sein und zu glühen, wenn es Licht ausgesetzt wird. Bisher wurde es jedoch hauptsächlich als Zwischenschritt bei der Herstellung winziger synthetischer Diamantpartikel bei Raumtemperatur und-druck verwendet., Diese Nanodiamanten sind zu klein für Schmuck, aber ideal als billiges Beschichtungsmaterial für Schneid – und Polierwerkzeuge.