Рекордная твердость: 10 самых твердых материалов на Земле

Алмаз до сих пор остается эталоном твердости: в различных методиках измерения механической твердости материалов он выступает в роли индентора (методы Роквелла, Виккерса) или эталонной поверхности (метод Мооса). Однако есть материалы, твердость которых выходит за «алмазный предел» или вплотную к нему приближается.
90524
  • Субоксид бора образует кристаллы-двойники в форме тетраэдров
    Субоксид бора образует кристаллы-двойники в форме тетраэдров
  • Диборид рения
    Диборид рения
  • Борид магния-алюминия
    Борид магния-алюминия
  • Бор-углерод-кремниевый сплав
    Бор-углерод-кремниевый сплав
  • Карбид бора
    Карбид бора
  • Различные варианты кристаллических решеток нитрида углерода-бора
    Различные варианты кристаллических решеток нитрида углерода-бора
  • Наноструктурированный кубонит
    Наноструктурированный кубонит
  • Плотная гексагональная (вюртцитная) структура нитрида бора
    Плотная гексагональная (вюртцитная) структура нитрида бора
  • Образец лонсдейлита, обнаруженный в сибирском кратере Попигай — четвертой по размеру астроблеме в мире
    Образец лонсдейлита, обнаруженный в сибирском кратере Попигай — четвертой по размеру астроблеме в мире
  • Кристаллы фуллерита
    Кристаллы фуллерита

Для сравнения материалов приведена их микротвердость по Виккерсу. Сверхтвердыми считаются материалы, твердость 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 твердости алмаза 115 ГПа). То же самое относится и к другим материалам: их твердость меняется в зависимости от условий синтеза образца, а иногда варьируется и в зависимости от направления приложенной к нему нагрузки.

Вот десятка рекордсменов:

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. Твердость монокристаллов субоксида бора составляет 45 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 твердости по различным кристаллографическим плоскостям получаются разные значения. При испытаниях под малой нагрузкой диборид рения демонстрирует твердость 48 ГПа, однако при увеличении нагрузки значение твердости резко падает, устанавливаясь на уровне примерно 22 ГПа. Поэтому некоторые исследователи сомневаются, нужно ли причислять диборид рения к сверхтвердым материалам.

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 твердостью. Тонкие пленки AlMgB14, полученные методом импульсного лазерного напыления, демонстрируют микротвердость до 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний (до 70 ГПа)

Сплавы на основе этой троицы чрезвычайно устойчивы к химическому воздействию и высокой температуры, они отличаются высокой микротвердостью, достигающей 70 ГПа (для B4C-B4Si)

6. Карбид бора (до 72 ГПа)

Карбид бора — распространенный в современной промышленности материал — был получен еще в позапрошлом веке. Его микротвердость (49 ГПа) может быть значительно повышена введением в кристаллическую решетку ионов аргона — до 72 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 твердостью. Ученые предпринимают попытки синтезировать сверхтвердые материалы, состоящие из атомов всех трех типов — и не безуспешно: например, кубическая модификация BC2N демонстрирует твердость 76 Гпа.

4. Наноструктурированный кубонит (до 108 ГПа)

Уникальные свойства кубонита (также известного под названиями эльбора, боразона и кингсонгита) широко используются в промышленности. Твердость 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 твердости, и ученые доказали, что наноструктурирование кубонита способно увеличить его твердость до 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора (до 114 ГПа)

Нитрид бора с вюртцитной (плотной гексагональной) кристаллической структурой тверже, чем кажется: в момент приложения нагрузки он претерпевает локальные структурные модификации, межатомные связи в его решетке перераспределяются, и твердость материала вырастает на 78%.

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 твердостью. Лишь в 2009 году ученые доказали, что в отсутствии примесей лонсдейлит может быть тверже алмаза. Высокую твердость ему придает примерно тот же механизм, который действует в случае вюртцитного нитрида бора.

1.Фуллерит (до 310 ГПа)

Самое твердое вещество, известное науке на данный момент — полимеризованный фуллерит. 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.

Комментарии