Строители скважин и тоннелей во всем мире ищут полноценную и при этом экономичную замену для дорогостоящих резцов из алмазов и победита, применяемых на буровом оборудовании. Фундаментальная наука, в свою очередь, десятилетиями бьется над поиском новых соединений и сплавов, не встречающихся в природе. О том, как российские нефтяники помогли ученым сделать открытие, способное привести к промышленному получению нового сверхтвердого материала — пентаборида вольфрама, читайте в нашем материале, подготовленном совместно с компанией «Газпром нефть».
Ювелирный инструмент
Алмазы вот уже полтора века — лучшие друзья бурильщиков. В 1863 году инженер Родольфо Лоше впервые применил прообраз современной алмазной коронки во время строительства железнодорожного тоннеля в швейцарских Альпах.
Стальные буры, которыми пользовались тогда, выходили из строя уже через час работы. По легенде, в отчаянии наблюдая за бесполезными попытками пробить проход в горе, Лоше постукивал пальцами по оконному стеклу и заметил оставшиеся на нем следы от бриллиантового перстня.
Выстрелили в Пластину из ВОЛЬФРАМА!
Несмотря на сумасшедшую дороговизну (стоимость одного карата алмаза в середине XIX века была сравнима со стоимостью конного экипажа), Лоше смог уговорить инвестора приобрести 100 карат алмазов. Драгоценные камни крепились к буровой трубе вручную: в торце бура для каждого кристалла высверливалось отдельное гнездо, заполнявшееся специальным припоем.
Вскоре работа закипела. Алмазы крошились, выпадали из своих гнезд, некоторые из них наверняка после так и не вернулись на место, закатившись в карманы рабочих, но все равно драгоценные буры окупились: скорость проходки ускорилась в десятки раз — вместо часа их хватало уже на сутки.
Сегодня один алмазный резец стоит от 20 до 200 долларов. Бурильные долота бывают разных конструкций: в среднем в них по 50 резцов, так что стоимость инструмента варьируется от полу- до нескольких миллионов рублей. Срок эксплуатации сильно зависит от состава породы, которую «грызут» бурильщики: в условиях Восточной Сибири одно долото проходит 200-500 метров, а в Западной Сибири — 10 километров и более.
Тверже не бывает
Может ли что-нибудь заменить алмаз? Вопрос о том, существует ли более твердое вещество, крайне интересует не только бурильщиков, но и научное сообщество.
За десятилетия поисков были выпущены сотни публикаций, авторы которых утверждали, что наконец нашли или хотя бы поняли, где следует искать структуру, сравнимую с алмазом, а то и превосходящую его по твердости. Все эти утверждения впоследствии неизменно опровергались.
Пока ни одно известное вещество не может тягаться с алмазом по этому свойству. Но у него есть свои недостатки — в кислородной атмосфере алмаз начинает сгорать при температуре 1000 градусов Цельсия, а при более высоких температурах «растворяется» в железосодержащих породах.
Десять лет назад китайские ученые заявили, что, согласно их расчетам, в случае отсутствия примесей минерал лонсдейлит — это гексагональная полиморфная модификация алмаза, впервые синтезированная в 1966 году в лаборатории, — может быть на 58 процентов тверже алмаза. Однако эти теории так и не нашли подтверждения.
500 ТОННЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРОТИВ ТИТАНА И ВОЛЬФРАМА
Поиск материала, который заменит алмазную пластину резца, продолжается. Российские ученые уже получили образцы новых сверхтвердых материалов, которые по своим характеристикам вплотную приближаются к такому веществу, как кубический нитрид бора. Это одно из наиболее близких к алмазу сверхтвердых соединений, применяемых в промышленности.
Победит всех победит?
Вплоть до конца XIX века в подземном бурении и горнодобывающей промышленности для создания бурового сверла использовали только инструментальную сталь, насыщенную углеродом. Следом пришла идея использовать для режущего инструмента вольфрам-углеродный сплав. Его впервые применили в 1920-х годах на заводах Круппа в Германии.
В СССР в 1929 году был запатентовано «каноничное» соотношение карбида вольфрама и кобальта в сплаве — 9 к 1. Сплав советские инженеры нарекли вполне в духе времени — победитом. Сегодня победитов уже десятки: в составе многих не только вольфрам и кобальт, но еще и никель, титан, тантал.
Победитовое сверло бурит бетон, может даже пробить металл в нем. Такие буры справляются с работой на твердых почвах и скалистых породах.
Десятки лет головки резцов для буровых установок во всем мире делают из победита (карбид вольфрама) с вкраплениями синтетических алмазов. Они вне конкуренции на рынке, другие материалы не смогли их вытеснить.
Даже более твердые материалы, например диборид титана, либо требуют высоких давлений при их синтезе, а значит обладают высокой себестоимостью, либо имеют гораздо более низкую трещиностойкость и менее практичны в использовании.
Между вольфрамом и бором
В 2015 году российские нефтяники и ученые из Сколтеха решили объединиться, чтобы вместе получить материал, способный победить победит.
«В какой-то момент мы задались вопросом, — вспоминает Артем Закиров, эксперт Научно-технического центра «Газпром нефти», — а нельзя ли использовать другой материал для буровых резцов, который будет более износостойким и не будет требовать при синтезе высоких давлений».
Ответ на этот вопрос искали между вольфрамом и бором. Известно, что они могут образовывать между собой много устойчивых кристаллических фаз различного состава: две фазы состава WB и еще три соединения WB2, W2B, WB4.
В ходе новых исследований кристаллографы обнаружили еще три устойчивые структуры, неизвестные ранее: триборид тетравольфрама (W4B3), пентаборид гексавольфрама (W6B5) и пентаборид вольфрама (WB5). Все три фазы оказались тугоплавкими и сверхтвердыми, а наиболее интересной из них ученые назвали пентаборид вольфрама WB5.
Согласно расчетам, твердость пентаборида находится на уровне 45 гигапаскалей. И его свойства должны сохраняться даже при очень высоких температурах — например, твердость нового материала при нагревании до 2000 градусов Цельсия падает только до 27 гигапаскалей. В это же время, к примеру, алмаз уже полыхал бы синим пламенем.
Прототипы резцов для бурового оборудования из новых спроектированных материалов первой испытала «Газпром нефть». Тестировали пентаборид вольфрама на граните. Проверка подтвердила, что образцы тверже победита и его аналогов. Уникальный материал оказался на 30 процентов прочнее и в 2 раза устойчивее к высоким температурам.
Сейчас «Газпром нефть» продолжает исследовать способы производства новых материалов и изделий на их основе на промышленном оборудовании. Специально для этого совместно с Российским научным фондом компания открыла в Сколтехе лабораторию компьютерного дизайна новых материалов.
Эволюция успеха
«Самый простой способ взаимодействия с бизнесом — когда тебя просят решить ту задачу, решение которой ты уже наполовину придумал, — рассказывает Артем Оганов, российский кристаллограф и профессор Сколтеха. — Мы на протяжении долгого времени изучали множество систем, предсказывая стабильные химические соединения и рассчитывая их свойства. Это были интересные вещества, но с победитом по твердости они были не сравнимы. Казалось, что победит действительно непобедим».
Оружие Оганова — это USPEX. Читайте это аббревиатуру как хотите, но расшифровывается она как Universal Structure Predictor: Evolutionary (X)Crystallography. Это машинный алгоритм предсказания кристаллических структур. Он предсказывает, какая у вещества с заданным химическим составом будет устойчивая структура в тех или иных условиях.
Наиболее устойчивая структура вещества обладает наименьшей энергией. В данном случае энергия характеризует электромагнитное взаимодействие ядер и электронов атомов, из которых состоит кристалл. Искать структуры с наименьшей энергией простым перебором практически бесполезно: даже если система состоит из всего десятка атомов, вариантов их расположения друг относительно друга будет порядка 100 миллиардов.
USPEX генерирует случайным образом небольшое количество структур и рассчитывает их энергию. А дальше начинается эволюция в прямом смысле этого слова: варианты с наибольшей энергией, то есть наименее устойчивые структуры, отбрасываются, а из наиболее устойчивых алгоритм генерирует производные структуры. Если их энергия оказывается ниже «материнских», но следующее «поколение» производится уже от них.
Понизить давление
Новые сверхтвердые материалы отправились в Институт физики высоких давлений имени Верещагина РАН для проверки результатов ученых Сколтеха.
«У нас был опыт работы с боридами, накопленный за предыдущие 30 лет, но области более высоких концентраций бора мы не исследовали, поскольку такие сплавы более хрупкие», — говорит Вадим Бражкин, директор ИФВД РАН.
В камере с максимальным давлением 15 тысяч атмосфер (примерно соответствует 15 килобар) в ИФВД синтезировали опытные образцы из пентаборида вольфрама в несколько миллиметров длиной. Более крупные прототипы резцов не требуются, поскольку рабочие элементы коронок резцов не превышают 15 миллиметров. По механическим показателям образцы, полученные при высоком давлении, выигрывают, однако проигрывают по себестоимости.
В ИФВД объясняют, что, по их расчетам, для внедрения в промышленных масштабах надо научиться синтезировать пентаборидовые коронки при давлениях менее 10 килобар. Над этим в институте сейчас активно работают. В случае успеха ученым предстоит найти подходящую площадку для производства, убедить сервисные компании в выгодах от внедрения нового материала и защитить патентные права.
«Мы хотели выстроить технологическую цепочку от фундаментальной науки до практического применения. В нашей стране этот институт трансфера и запросов бизнеса к фундаментальной науке не развит. На примере пентаборида вольфрама мы пытаемся его создать практически с нуля», — признают в «Газпром нефти».
«Карта сокровищ»
А пока в ИФВД пекли и испытывали пентаборид, теоретики продолжали свой поиск. И в новой публикации Оганов с коллегами из Сколтеха и МФТИ описали сочетание алгоритма USPEX с двумя новыми методами расчета твердости по Виккерсу и ударной вязкости (способности поглощать энергию без разрушения).
Исключив инертные газы, редкоземельные элементы и радиоактивные нуклиды, ученые проверили бинарные комбинации из 74 элементов периодической таблицы. Итогом их работы стала «карта сокровищ» сверхтвердых материалов, где обозначены как уже известные, так и новые вещества разной степени твердости и ударной вязкости.
На «карте» представлены как известные материалы: карбид вольфрам, корунд, так и перспективные. Одна из новых меток на этой «карте сокровищ» — как раз пентаборид вольфрама.
Кристаллографы также обнаружили сверхтвердые качества у гидрида марганца, материала, который ранее никогда не изучали как сверхтвердую фазу. Тем не менее, он оказался более твердым, чем стишовит, сверхтвердый оксид кремния, возникающий при ударах метеоритов.
Источник: nplus1.ru
Что крепче вольфрам или титан?
У нас есть 23 ответов на вопрос Что крепче вольфрам или титан? Скорее всего, этого будет достаточно, чтобы вы получили ответ на ваш вопрос.
Содержание
- Что тверже титан или вольфрам?
- Что тяжелее вольфрам или титан?
- Что сильнее титан или железо?
- Почему титан самый прочный?
- Какой металл крепче железа?
- Какой самый прочный сплав в мире?
- Что боится титан?
- Можно ли пробить титан?
- Что крепче вольфрам или титан? Ответы пользователей
- Что крепче вольфрам или титан? Видео-ответы
Отвечает Аделя Флора
Вольфрам чрезвычайно сильный, жесткий и плотный. Титан очень прочный и твердый и имеет гораздо меньшую плотность. Вольфрам слегка магнитный и .
Что тверже титан или вольфрам?
Особо твердые сплавы Он обладает самым высоким отношением прочности на разрыв к плотности из всех металлов. По этому показателю он обошел вольфрам, вот только по шкале твердости Мооса титан ему уступает.
Что тяжелее вольфрам или титан?
Вольфрамовые кольца по весу сравнимы с изделиями из золота и платины, включенных в десятку самых тяжелых металлов в мире. В среднем в 4 раза тяжелее титановых моделей. Отличаются значительным весом, ощущаются на руке как золотые или платиновые кольца.
Что сильнее титан или железо?
Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть – алюминия.
Почему титан самый прочный?
Дело все в том, что титан тверже железа и меди почти в четыре раза, хотя железом в несколько раз тяжелее титана. Данный тугоплавкий металл может сохранять свою прочность даже при высоких температурах. Кроме этого он обладает антикоррозийными свойствами.
Какой металл крепче железа?
Самый прочный металл – иридий – серебристо-белый, твердый и тугоплавкий, который относится к платиновой группе. В природе высокопрочный элемент встречается крайне редко, и часто входит в соединение с осмием.
Какой самый прочный сплав в мире?
В 2016 году группа ученых из университетов Техаса и Флориды получила самый твердый из известных биосовместимых материалов. Им оказался сплав титана с золотом β-Ti3Au. Титан достаточно инертен, чтобы не взаимодействовать с живыми тканями и не окисляться в организме, но иногда ему не хватает прочности.
Что боится титан?
На самом деле он может потерять привлекательный внешний вид из-за агрессивного контакта с алмазом, другим металлом или наждачной бумагой. В то же время, титан не боится морской воды, пота и абразивных моющих средств.
Можно ли пробить титан?
Титан смог выдержать попадание свинцовой пули калибра . 50 BMG (12,7×99 мм), а вот бронебойная пуля этого калибра почти пробила слиток, оставив на его противоположной стороне выпуклость с трещинами.
Источник: querybase.ru
Самый твердый металл в мире: название и другие свойства
Металлы в обыденной жизни стали применять в древности. Медь была первым элементом, который начал использовать человек, так как в природе её было просто найти, и она легко обрабатывалась. Неслучайно археологами найдены многочисленные предметы, сделанные из меди. В ходе своего развития люди научились делать сплавы, из которых изготавливались орудия труда, а затем и оружие.
В наши дни проводятся исследования для выявления прочнейших металлов. Давайте узнаем больше о свойствах и использовании десяти самых прочных металлов в мире.
Рутений
Вторую строчку рейтинга самых прочных металлов в мире занимает рутений – серебристый металл, принадлежащий к платиновой группе. Его особенностью является наличие в составе мышечной ткани живых организмов. Ценными свойствами рутения являются высокая прочность, твердость, тугоплавкость, химическая стойкость, способность образовывать комплексные соединения. Рутений считается катализатором многих химических реакций, выступает в роли материала для изготовления электродов, контактов, острых наконечников.
Вольфрам
Характеризуется высокой тугоплавкостью, также принадлежит к прочнейшим металлам на планете Земля. Являясь твёрдым элементом бело-серого цвета с характерным блеском, вольфрам высокопрочный, тугоплавкий, устойчив к воздействию кислотной и щелочной среды. Наделен ковкостью, при повышении температур W саморазогревается, а также растягивается в тоненькую нить, используемую в лампах.
Хром
Хром – металл бело-голубого цвета. Характеризуется высокой прочностью, твёрдостью, ярко выраженными магнитными свойствами, не подвергается водородному охрупчиванию, стойкий к влиянию кислотной и щелочной среды. Его используют, создавая различные сплавы, а те в свою очередь востребованы для изготовления медоборудования. Кроме того, Cr применяется при синтезе искусственных рубинов, соли хрома четырехвалентного используют для сохранения древесины и дубления кож.
Палладиевое микролегированное стекло
Вопреки стереотипам, стекло не всегда хрупкое и бьющееся. Благодаря группе ученых из Калифорнийского института, был разработан инновационный материал, который сочетает в себе мягкость и прочность. Секрет изобретения заключается в том, что кристаллическая структура позволила обойти свойства хрупкости стеклообразного вещества, при этом не снизив уровень выносливости.
Рений
Переходному серебристому металлу рению достается седьмая позиция в нашем списке. Предположение о существовании этого элемента были сделаны Д. И. Менделеевым в 1871 году, а открыть его удалось химикам из Германии в 1925 году. Уже через 5 лет после этого удалось наладить добычу этого редкого, прочного и тугоплавкого металла. На то время за год удавалось получить 120 кг рения.
Сейчас количество ежегодной добычи металла увеличилось до 40 тонн. Он применяется для производства катализаторов. Из него также изготавливают электрические контакты, способные самоочищаться.
Сплавы против металлов
Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода. Чем выше прочность сплава — тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.
Уран
Наиболее распространенный металл, отличается большой прочностью, в привычных условиях слабо радиоактивен. Обнаружение учёными урана считается открытием планетарного масштаба. Наделен парамагнитными свойствами, гибкий, ковкий и относительно пластичный, благодаря таким качествам нашёл применение в разнообразных производственных сферах: является основой для ядерного оружия, соединения урана используются в производстве стекол, в качестве красителей.
Иридий
Лидером среди всех металлов, обладающих высокой прочностью, считается Иридий. Твёрдый и тугоплавкий элемент серо-белого цвета принадлежит к платиноидам. Сегодня на поверхности Земли почти не встречается, но нередко встречается в соединениях с осмием. По причине твердости воздействие на металл затруднено, а значит и обработка, стоек под влиянием химических веществ.
Его значение в обыденной жизни весьма велико. Иридий используется для придания таким металлам, как титан, хром и вольфрам лучшей устойчивости к влиянию кислотной и щелочной среды. Применяется для изготовления термопар, топливных баков, термоэлектрических генераторов, в медицине, нашёл широкое применение для сплавов с платиной у ювелиров.
Стекло из микролегированного палладия
В 2011 году исследователи материалов из Калифорнийского технологического института совместно с лабораторией Беркли разработали новый тип металлического стекла с широким спектром свойств, которое намного прочнее стали.
Как следует из названия, это металлическое стекло изготовлено из палладия — металла с высоким коэффициентом жёсткости. Палладий снижает хрупкость стекла, но увеличивает его прочность.
Самое прочное дерево
Есть древесина, которая превосходит по прочности чугун и может сравниться с прочностью железа. Речь идет о «Березе Шмидта». Ее так же называют Железной березой. Человек не знает более прочного дерева, чем это. Открыл ее русский ученый-ботаник по фамилии Шмидт, находясь на Дальнем Востоке.
Береза Шмидта — самое прочное дерево
Железо и сталь
Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.
Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).
Графен
Графен, пожалуй, самый прочный материал, известный людям. В нём один слой углерода, расположенный в треугольной решётке. Является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок.
Хотя графен производится в небольших количествах уже более века, первое изолированное открытие материала было сделано К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 году. Оба за свой вклад в развитие науки получили Нобелевскую премию в области физики.
Зубы моллюсков
Ранее мы упоминали, что пауки Дарвина плетут нить одного из самых прочных органических материалов на Земле. Тем не менее зубы морского блюдечка оказались ещё сильнее, чем паутины. Зубы лимпетов чрезвычайно жёсткие. Причина этих удивительных характеристик в назначении: сбор водорослей с поверхности горных пород и кораллов. Учёные считают, что в будущем мы могли бы скопировать волокнистую структуру зубов лимпета и использовать её в автомобильной промышленности, кораблях и даже авиационной индустрии.
Бериллий
Металл серого цвета с серебристым оттенком, приобретающий при соприкосновении с воздухом матовый оттенок по причине образования оксидной плёнки. Металл, характеризующийся твёрдостью, высоко токсичный. В отличие от других металлов прекрасно проводит тепло и характеризуется низким электрическим сопротивлением. Обладая уникальными свойствами, Be получил применение в авиакосмической области, ракетостроении, ядерной энергетике, металлургической промышленности, атомной энергетике, лазерной технике. Учитывая высокую твёрдость Ве, его применяют для получения легирующих сплавов, материалов, отличающихся своими огнеупорными качествами.
Тантал
Тантал входит в тройку прочнейших элементов на земле. Его характеризуют серо-металлический цвет с серебристым блеском, высокая твёрдость и атомная плотность. Образующаяся сверху оксидная плёнка придаёт ему свинцовый отлив. Несмотря на высокую твёрдость и прочность, это металл характеризуется пластичностью, и по такому качеству сравним с золотом.
Металл тугоплавкий, стойкий к коррозии и окислению. Нашел активное применение в металлургии, строительстве энергетических установок, химической отрасли.
Источник: 32svarka.ru