vraag de meeste mensen wat het hardste materiaal op aarde is en zij zullen waarschijnlijk “diamond”antwoorden. De naam komt van het Griekse woordδδάμας (adámas) wat “onbreekbaar” of “onoverwinnelijk” betekent en is waar we het woord “onvermurwbaar”vandaan halen. De hardheid van diamant geeft het ongelooflijke snijcapaciteiten die – samen met zijn schoonheid-het in hoge vraag voor duizenden jaren hebben gehouden., moderne wetenschappers hebben decennia lang gezocht naar goedkopere, hardere en meer praktische alternatieven en om de paar jaar luidt het nieuws de creatie in van een nieuw “’s werelds hardste materiaal”. Maar is een van deze uitdagers echt up to scratch?
ondanks zijn unieke allure is diamant gewoon een speciale vorm, of “allotrope”, van koolstof. Er zijn verscheidene allotropes in de koolstoffamilie met inbegrip van koolstof nanotubes, amorfe koolstof, diamant en grafiet., Alle zijn opgebouwd uit koolstofatomen, maar de soorten atomaire bindingen tussen hen verschillen wat aanleiding geeft tot verschillende materiële structuren en eigenschappen.
de buitenste schil van elk koolstofatoom heeft vier elektronen. In diamant worden deze elektronen gedeeld met vier andere koolstofatomen om zeer sterke chemische bindingen te vormen, wat resulteert in een extreem stijf tetrahedraal kristal. Het is deze eenvoudige, strak gebonden opstelling die diamant een van de hardste stoffen op aarde maakt.
hoe hard?
hardheid is een belangrijke eigenschap van materialen en bepaalt vaak waarvoor ze kunnen worden gebruikt, maar het is ook vrij moeilijk te definiëren. Voor mineralen is krashardheid een maat voor hoe resistent het is tegen krassen door een ander mineraal.
Er zijn verschillende manieren om de hardheid te meten, maar meestal wordt een instrument gebruikt om een deuk in het oppervlak van het materiaal te maken. De verhouding tussen het oppervlak van de inkeping en de kracht die wordt gebruikt om het te maken, geeft een hardheidswaarde. Hoe harder het materiaal, hoe groter de waarde., De Vickers hardheidstest maakt gebruik van een vierkante piramide diamant tip om de inspringing te maken.
zacht staal heeft een Vickers-hardheidswaarde van ongeveer 9 GPa, terwijl diamant een Vickers – hardheidswaarde van ongeveer 70-100 GPa heeft. De slijtvastheid van diamant is legendarisch en tegenwoordig wordt 70% van ‘ s werelds natuurlijke diamanten gevonden in slijtvaste coatings voor gereedschappen die worden gebruikt bij het snijden, boren en slijpen, of als toevoegingen aan schuurmiddelen.
het probleem met diamond is dat, hoewel het erg moeilijk kan zijn, het ook verrassend onstabiel is., Wanneer diamant wordt verwarmd boven 800℃ in lucht veranderen de chemische eigenschappen, waardoor de sterkte van de diamant wordt beïnvloed en hij met ijzer kan reageren, waardoor hij ongeschikt is voor het bewerken van staal.
deze beperkingen op het gebruik ervan hebben geleid tot een groeiende focus op de ontwikkeling van nieuwe, chemisch stabiele, bovenharde materialen als vervanging. Betere slijtvaste coatings zorgen ervoor dat industriële gereedschappen langer meegaan tussen het vervangen van versleten onderdelen en verminderen de behoefte aan potentieel milieugevaarlijke koelmiddelen. Wetenschappers zijn er tot nu toe in geslaagd om verschillende potentiële rivalen voor diamond te vinden.,
boriumnitride
het synthetisch materiaal boriumnitride, voor het eerst geproduceerd in 1957, is vergelijkbaar met koolstof omdat het verschillende allotropen heeft. In zijn kubieke vorm (c-BN) deelt het dezelfde kristallijne structuur als diamant, maar in plaats van koolstofatomen bestaat het uit afwisselend gebonden atomen van boor en stikstof. c-BN is chemisch en thermisch stabiel en wordt tegenwoordig veel gebruikt als een supersterke machine tool coating in de auto-en lucht-en ruimtevaartindustrie.,
maar kubisch boriumnitride is in het beste geval nog steeds het op één na hardste materiaal ter wereld met een Vickers-hardheid van ongeveer 50 GPa. De zeshoekige vorm (w-BN) was aanvankelijk nog moeilijker, maar deze resultaten waren gebaseerd op theoretische simulaties die een inspringsterkte voorspelden die 18% hoger was dan diamant. Helaas is w-BN uiterst zeldzaam van aard en moeilijk te produceren in voldoende hoeveelheden om deze claim door experiment goed te testen.
synthetische diamant
synthetische diamant bestaat ook al sinds de jaren 1950 en is vaak harder dan natuurlijke diamant vanwege zijn verschillende kristalstructuur. Het kan worden geproduceerd door het toepassen van hoge druk en temperatuur op grafiet om zijn structuur te dwingen om te herschikken in de tetraëder diamant, maar dit is traag en duur. Een andere methode is om het effectief op te bouwen met koolstofatomen uit verwarmde koolwaterstofgassen, maar de soorten substraatmateriaal die u kunt gebruiken zijn beperkt.,het synthetisch produceren van diamanten creëert polykristallijne stenen die bestaan uit aggregaten van veel kleinere kristallieten of “korrels”, variërend van enkele micron tot enkele nanometers. Dit contrasteert met de grote monokristallen van de meeste natuurlijke diamanten die voor sieraden worden gebruikt. Hoe kleiner de korrelgrootte, hoe meer korrelgrenzen en hoe harder het materiaal. Recent onderzoek naar sommige synthetische diamant heeft aangetoond dat het een Vickers hardheid van maximaal 200 GPa.
Q-carbon
meer recent creëerden onderzoekers van North Carolina State University wat zij beschreven als een nieuwe vorm van koolstof, verschillend van andere allotropen, en bleken harder te zijn dan diamant. Deze nieuwe vorm werd gemaakt door niet-kristallijne koolstof met een krachtige snelle laserpuls te verwarmen tot 3.700 °C en vervolgens snel te koelen of te “doven”-vandaar de naam “Q – carbon”-om diamanten in micronformaat te vormen.,
de wetenschappers vonden dat Q-koolstof 60% harder was dan diamantachtige koolstof (een type amorf koolstof met vergelijkbare eigenschappen als diamant). Dit heeft ertoe geleid dat ze verwachten dat Q-carbon harder is dan diamant zelf, hoewel dit nog experimenteel moet worden bewezen. Q-carbon heeft ook de ongewone eigenschappen van magnetisch zijn en gloeien bij blootstelling aan licht. Maar tot nu toe werd het voornamelijk gebruikt als een tussenstap in het produceren van kleine synthetische diamantdeeltjes bij kamertemperatuur en druk., Deze nanodiamonds zijn te klein voor sieraden, maar ideaal als goedkoop coatingmateriaal voor snij-en polijstgereedschappen.