编译 这些新材料可能比钻石还硬!

中国科技网 2019-01-10 17:50:46

提到地球上最坚硬的材料,大多数人的回答可能都是钻石。钻石的名字来来源于希腊语,ἀδάμας意思是“牢不可破”或“无敌”,英文里这个词的意思是“坚硬的东西”。钻石的硬度赋予它无以伦比的切割能力,而且它还具有高“颜值”,这使得钻石在千百年的时间里一直备受推崇。

现代科学家们已经花了数十年时间来寻找更加廉价、坚硬和更实用的替代品,每隔几年就会有新闻爆出:创造了一种新的“世界上最坚硬的物质”。但是这些挑战者真的成功了吗?



虽然说钻石光彩夺目,但本质上来讲,它仅仅是一种特殊形态或称为碳的“同素异形体”。碳家族有几种同素异形体,包括碳纳米管、无定形碳、钻石和石墨。所有这些物质都是由碳原子构成的,但是他们之间的原子键类型不同,从而导致不同的材料结构和特性。

每一个碳原子的最外层都有四个电子。在钻石中,这些电子与其它四个碳原子共享,形成非常强大的化学键,造就了钻石非常坚固的四面体晶体结构。就是这样一种简单的、致密的结构使得钻石成为地球上最坚硬的物质。

到底有多坚硬?

硬度是材料的一个重要特性,这往往决定了它们的用武之地在何处,但是硬度又很难定义。对于物质来说,划痕硬度用于衡量物质硬度,用另一种矿物划过物质表面,根据划痕确定该物质的软硬。

还有几种测量硬度的方法,通常使用仪器来将材料表面局部塑性变形,塑性变形的面积与压力载荷的比值用来比较被测材料的软硬。材料越硬,比值越大。维氏硬度也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。

低碳钢具有的维氏硬度值约为9GPa,钻石的维氏硬度约为70–100GPa。钻石的耐磨性是世界上绝无仅有的,今天世界上70%的天然钻石都用来制造用于切削,钻井和磨削,或作为磨料磨具添加剂等工具的耐磨涂层。

钻石也不是完美的,虽然它很坚硬,但也非常不稳定。当钻石在空气中加热到800摄氏度以上时,其化学性质发生改变,这会影响其强度而且能让它与铁反发生应,使得它不适合于加工钢。

这些方面限制了它的应用,因此科学家们一直在开发新的、化学稳定性强的、超硬材料作为替代品。更好的耐磨涂层能够让工业工具减少更换磨损零件,延长其使用时间,以及降低对污染环境的冷却剂的需求。迄今为止,科学家们已经开发出钻石的几个潜在竞争对手。


氮化硼

合成材料氮化硼,诞生于1957年,与碳类似,它也有几种同素异形体。立方氮化硼(c-BN)与钻石具有相同的晶体结构,但它不包含碳原子,而是由硼和氮原子构成的晶体结构。立方氮化硼具有化学和热稳定性,目前,作为超硬机械工具涂层,主要用于汽车和航空工业领域。

但是,目前立方氮化硼充其量只是世界上第二坚硬的材料,它的维氏硬度约为50GPa。纤锌矿氮化硼(w-BN)最初被认为比钻石更坚硬,这个结论是基于理论模拟的结果(预测它的压痕强度比钻石高18%)。不幸的是,w-BN在自然界中非常稀有,而且很难开发出足够的量来进行实验测试这种主张。


人造钻石

有关人造钻石的报道,自20世纪50年代以来就不绝于耳,因为晶体结构不同,所以它比天然钻石要硬。人造钻石的制造方法是,将石墨置于高温高压环境下,其碳原子会重新排布从而形成新的钻石,但这个过程非常耗时而且价格昂贵。另一种制造方法是,从加热的烃类气体中提取碳原子,但是这种基材的用途有限。

人造钻石是多晶结构,是一种由几微米到几纳米大小的微晶体和“晶粒”结晶聚合而成的多结晶钻石。与大多数用于加工首饰的大的单晶体结构不同。晶粒尺寸越小,晶界越大,材料也就越坚硬。对于人造钻石的最新研究表明,它的维氏硬度高达200GPa。


Q-carbon

最近,北卡罗来纳州立大学的研究人员创造了一种新形态的碳,不同于其它的同素异形体,这种材料比钻石还硬。这种新材料是用高能快速激光脉冲将非晶碳加热到3700°C,然后迅速冷却或“淬火”,形成微米大小的钻石,由此得名“Q-carbon”。

科学家们发现Q-carbon比类金刚石膜(一种无定形碳,与钻石的特性相似)的硬度高60%。这让科学家们很期待Q-carbon和钻石的硬度较量结果,虽然这仍需实验证明。Q-carbon有些独特的性质,它具有磁性,哪怕暴露在较低的能量下,它也会闪闪发光。但是,到目前为止,它只是用于常温常压下生产微小人造钻石的一个中间步骤。这些纳米钻石尺寸太小没法做成珠宝,但作为切割和抛光工具的廉价涂层材料却是理想之选。