Каждый из вас знает, что эталоном твердости на сегодня так и остается алмаз. При определении механической твердости существующих на земле материалов твердость алмаза берется как эталон: при измерениях методом Мооса – в виде поверхностного образца, методами Виккерса или Роквелла – в качестве индентора (как более твердое тело при исследовании тела с меньшей твердостью). На сегодняшний день можно отметить несколько материалов, твердость которых приближается к характеристикам алмаза.
Сравниваются в данном случае оригинальные материалы, исходя из их микротвердости по методу Виккерса, когда материал считается сверхтвердым при показателях в более 40 ГПа. Твердость материалов может изменяться, в зависимости от характеристик синтеза образца или направления приложенной к нему нагрузки.
Колебания показателей твердости от 70 до 150 ГПа – общеустановленное понятие для твердых материалов, хотя эталонной величиной принято считать 115 ГПа. Давайте рассмотрим 10 самых твердых материалов, кроме алмаза, которые существуют в природе.
САМЫЙ ПРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ В МИРЕ!
10. Субоксид бора (B6O) — твердость до 45 ГПа
Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.
Содержание недостаточного количества атомов кислорода в субоксиде бора обеспечивает материалу характеристики, свойственные керамическим материалам. Данное вещество имеет качества химической инертности, повышенной прочности, устойчивости к истиранию при невысоких показателях плотности, а его монокристаллы обладают твердостью в 45 ГПа.
9. Диборид рения (ReB2) — твердость 48 ГПа
Многие исследователи ставят под сомнение вопрос, может ли этот материал причисляться к материалам сверхтвердого типа. Это вызвано весьма необычными механическими свойствами соединения.
Послойное чередование разных атомов делает этот материал анизотропным. Поэтому измерение показателей твердости получаются разными при наличии разнотипных кристаллографических плоскостей. Таким образом, испытаниями диборида рения при малых нагрузках обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость становится намного меньше и составляет приблизительно 22 ГПа.
8. Борид магния-алюминия (AlMgB14) — твердость до 51 ГПа
Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.
Самые твердые материалы на Земле ТОП 10
Каждый из вас знает, что эталоном твердости на сегодня так и остается алмаз. При определении механической твердости существующих на земле материалов твердость алмаза берется как эталон: при измерениях методом Мооса – в виде поверхностного образца, методами Виккерса или Роквелла – в качестве индентора (как более твердое тело при исследовании тела с меньшей твердостью). На сегодняшний день можно отметить несколько материалов, твердость которых приближается к характеристикам алмаза.
Аэрогель — самый легкий твердый материал [Veritasium]
Сравниваются в данном случае оригинальные материалы, исходя из их микротвердости по методу Виккерса, когда материал считается сверхтвердым при показателях в более 40 ГПа. Твердость материалов может изменяться, в зависимости от характеристик синтеза образца или направления приложенной к нему нагрузки.
Колебания показателей твердости от 70 до 150 ГПа – общеустановленное понятие для твердых материалов, хотя эталонной величиной принято считать 115 ГПа. Давайте рассмотрим 10 самых твердых материалов, кроме алмаза, которые существуют в природе.
10. Субоксид бора (B6O) — твердость до 45 ГПа
Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.
Содержание недостаточного количества атомов кислорода в субоксиде бора обеспечивает материалу характеристики, свойственные керамическим материалам. Данное вещество имеет качества химической инертности, повышенной прочности, устойчивости к истиранию при невысоких показателях плотности, а его монокристаллы обладают твердостью в 45 ГПа.
10. Диборид рения (ReB2) — твердость 48 ГПа
Многие исследователи ставят под сомнение вопрос, может ли этот материал причисляться к материалам сверхтвердого типа. Это вызвано весьма необычными механическими свойствами соединения.
Послойное чередование разных атомов делает этот материал анизотропным. Поэтому измерение показателей твердости получаются разными при наличии разнотипных кристаллографических плоскостей. Таким образом, испытаниями диборида рения при малых нагрузках обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость становится намного меньше и составляет приблизительно 22 ГПа.
8. Борид магния-алюминия (AlMgB14) — твердость до 51 ГПа
Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.
AlMgB14 — специальные тоненькие пленки, создающиеся при помощи лазерного напыления импульсного типа, имеют способность обладать микротвердостью до 51 ГПа.
7. Бор-углерод-кремний — твердость до 70 ГПа
Основа такого соединения обеспечивает сплаву качества, подразумевающие оптимальную устойчивость к химическим воздействиям негативного типа и высокой температуре. Такой материал обеспечивается микротвердостью до 70 ГПа.
6. Карбид бора B4C (B12C3) — твердость до 72 ГПа
Еще один материал – карбид бора. Вещество достаточно активно стало использоваться в разных сферах промышленности практически сразу же после его изобретения в 18 веке.
Источник: dzen.ru
Топ 10 самых твердых веществ
Графен представляет собой сотовую двумерную пленку, образованную атомами углерода с sp2-гибридизацией. Это однослойная листовая структура, отделенная от графита , а также самый тонкий новый материал, известный в настоящее время. Прочность на растяжение и модуль упругости графена составляют 125 ГПа и 1,1 тПа соответственно, а его прочность в 100 раз выше, чем у обычной стали.
С тех пор как в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике, число глобальных патентных заявок на графен резко возросло. Ожидается, что в будущем он будет применяться во многих областях, таких как электроника, хранение энергии, катализаторы, датчики, оптоэлектронные прозрачные тонкие пленки, сверхпрочные композитные материалы и биологическая медицина. Графен самое твердое вещество в мире.
2. Углеродные нанотрубки (Carbon Nanotube)
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой разновидность одномерного квантового материала с гексагональным расположением атомов углерода, образующего коаксиальные круглые трубки от нескольких слоев до десятков слоев, и их можно разделить на одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) и многослойные углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) по количеству слоев графеновых листов. Углеродные нанотрубки обладают превосходными механическими свойствами, с пределом прочности при растяжении 50 ~ 200 ГПа, что в 100 раз больше, чем у стали, но плотность составляет всего 1/6 от плотности стали. Кроме того модуль упругости может достигать 1 ТПа, что эквивалентно модулю алмаза и примерно в 5 раз больше, чем у стали.
С момента своего открытия в 1990-х годах отрасль, связанная с углеродными нанотрубками, процветала, и они широко используются для производства композитных материалов и пленок, прозрачных проводников, термоинтерфейсов, бронежилетов, лопастей ветряных турбин, электродов для функциональных устройств и катализаторов. Углеродные нанотрубки одни из самых твердых материалов в мире.
3. Металлическое стекло (Metallic Glass)
Металлическое стекло также называют аморфным металлом, который обычно представляет собой сплав с аморфной структурой и структурой стекла. Эта двойная структура определяет, что он обладает многими свойствами, недоступными для кристаллического металла и стекла, такими как хорошая электропроводность, высокая прочность, высокая эластичность, более износостойкий и устойчивый к коррозии. Металлическое стекло прочнее стали и тверже твердой инструментальной стали.
Металлическое стекло обладает сверхпрочностью, эластичностью и магнитными свойствами и может оставаться твердым без кристаллизации при высоких температурах, что в основном используется в аэрокосмической отрасли и обороной промышленности.
4. Полиэтиленовое волокно сверхвысокой молекулярной массы (Ultra-high molecular weight polyethylene fiber)
UHMWPE — это разновидность волокна из полиэтилена с относительной молекулярной массой от 1 до 5 миллионов, которое в настоящее время является самым прочным и легким волокном в мире. Он в 15 раз прочнее стальной проволоки, но очень легкий по весу и не более чем на 40 процентов легче таких материалов, как арамид.
UHMWPE широко используется от канатов до средств защиты жизни, высококачественного текстиля, композитов, ламинированных материалов. Подсчитано, что ежегодный мировой спрос на UHMWPE составит 60 000 тонн в следующие пять лет и 100 000 тонн в следующие 10 лет.
5. Нанотрубки нитрида бора (Boron Nitride Nanotubes)
Подобно углероду, нитрид бора может образовывать слои из одного атома, которые могут быть свернуты в нанотрубки. Нанотрубки из нитрида бора сами по себе такие же прочные, как углеродные нанотрубки, но настоящее преимущество заключается в их способности прочно прилипать к полимеру, когда он связывается с полимером. Прочность нанотрубок из нитрида бора выше, чем у углеродных нанотрубок, примерно на 30%, и примерно на 20% выше, чем у эпоксидной смолы.
Нанотрубки из нитрида бора обладают оптическими свойствами, превосходными механическими и теплопроводными свойствами, а также выдерживают высокие температуры и поглощают нейтронное излучение, что делает их эффективными добавками для механического или термического улучшения полимерных, керамических и металлических композитов. Дополнительные применения нанотрубок нитрида бора включают в себя защитные экраны, электрические изоляторы и датчики.
6. Лонсдейлит (Lonsdaleite)
Камень Лонсдейла был обнаружен в кратере американским геологом Лонсдейлом и определен как шестиугольный метеоритный алмаз. Как и алмазы, они состоят из атомов углерода, но его атомы углерода расположены в разных формах. Результаты моделирования показывают, что камень Лонсдейл на 58% более устойчив к давлению, чем алмаз.
7. Алмаз (Diamond)
Алмаз — самое твердое вещество, встречающееся на Земле в очень многих природных формах, и это аллотроп углерода. Твердость алмаза соответствует высшей степени твердости по шкале Мооса – 10 классу. Его микротвердость составляет 10000 кг/мм2, что в 1000 раз выше, чем у кварца, и в 150 раз выше, чем у корунда. Алмаз широко используется в промышленности, в основном в алмазных резцах, алмазных штампах, алмазных долотах. Алмаз — самый твердый материал в природе, но человек уже обошел мать-природу и алмаз в нашем рейтинге самых твердых веществ в мире занимает только седьмую строчку.
8. Аэрогель (Aerogel)
Аэрогель — это форма твердого материала, которая имеет самую маленькую плотность в мире. Аэрогели очень прочные и долговечные, могут выдерживать давление, в тысячи раз превышающее их массу, и не плавятся, пока не достигнут температуры 1200 градусов по Цельсию.
Аэрогели обладают многими уникальными свойствами в области тепловых, оптических, электрических, механических и акустических характеристик, которые могут использоваться в качестве теплоизоляционных материалов, мишеней для ИКФ и рентгеновских лазеров, катализаторов, адсорбентов, различных электронных устройств и т.д.
9. Карбид кремния (Silicon carbide)
Карбид кремния имеет твердость по шкале Мооса 9,5, что уступает только самому твердому алмазу в мире. Кроме того, карбид кремния обладает отличной теплопроводностью. Это своего рода полупроводник, который может противостоять окислению при высокой температуре. В сочетании с выдающейся жаропрочностью материала и стойкостью к тепловому удару, наряду с присущими ему впечатляющими механическими свойствами, карбид кремния является одним из самых универсальных огнеупорных керамических материалов в мире.
Как типичный представитель полупроводниковых материалов третьего поколения, карбид кремния пользуется популярностью на предприятиях, занимающихся производством полупроводников. Силовые электронные устройства, изготовленные из подложки из карбида кремния и эпитаксиального материала, могут работать в условиях высокого напряжения и высокой частоты с выдающимися эксплуатационными преимуществами и широкими промышленными перспективами.
Карбид кремния производится при чрезвычайно высоких температурах (~2000°C) в инертной атмосфере с использованием различных методов формования, включая сухое прессование и экструзию. Реакционно-связанный карбид кремния образуется с использованием пористого углеродного сырья и расплавленного кремния посредством аддитивного формования, литья или экструзии. Каждая из этих полностью уплотненных карбидокремниевых керамик достигает исключительных химических и механических свойств при экстремальных температурах конечного использования, превышающих 1400°C
10. Осмий (Osmium)
Осмий — блестящий серебристый металл, один из металлов так называемой платиновой группы. Это самый плотный из известных металлов и один из самых твердых материалов в мире. Осмий не действует на воду и кислоты, но растворяется в расплавленных щелочах. Порошок осмия медленно реагирует с кислородом воздуха и выделяет заметное количество паров четырехокиси осмия.
Металл используется в нескольких сплавах и в промышленности в качестве катализатора. Когда-то его можно было встретить в перьях высококачественных перьевых ручек, иглах компаса, долговечных иглах граммофонов и подшипниках часов благодаря его исключительной твердости и коррозионной стойкости.
Осмий в основном встречается в сплавах с другими платиновыми металлами, из которых он извлекается в промышленных масштабах. Наиболее важными рудами являются иридосмин и осмиридий. Иридосмин — редкий минерал, встречающийся в России, Северной и Южной Америке. Ежегодно производится менее 100 кг. Спрос на металл, который трудно изготовить, невелик.
Источник: topworld10.ru
Самые твердые материалы: виды, классификация, характеристики, интересные факты и особенности, химические и физические свойства
В своей деятельности человек использует различные качества веществ и материалов. И совсем не маловажным является их крепость и надежность. О самых твердых материалах в природе и созданных искусственно пойдет речь в этой статье.
Общепринятый эталон
Для определения прочности материала используется шкала Мооса – шкала оценки твердости материала по его реакции на царапание. Для обывателя самый твердый материал – это алмаз. Вы удивитесь, но этот минерал всего лишь где-то на 10-м месте среди самых твердых. В среднем материал считают сверхтвердым, если его показатели выше 40 ГПа.
Кроме того, при выявлении самого твердого материала в мире следует учитывать и природу его происхождения. При этом крепость и прочность часто зависят от воздействия внешних факторов на него.
Самый твердый материал на Земле
В данном разделе обратим внимание на химические соединения с необычной кристаллической структурой, которые намного прочнее алмазов и вполне могут его поцарапать. Приведем топ-6 самых твердых материалов созданных человеком, начиная с наименее твердого.
- Нитрид углерода – бора. Это достижение современной химии имеет показатель прочности 76 ГПа.
- Графеновый аэрогель (аэрографен) – материал в 7 раз легче воздуха, восстанавливающий форму после 90 % сжатия. Удивительно прочный материал, способный к тому же впитать количество жидкости или даже масла в 900 раз больше собственного веса. Этот материал планируется использовать при разливах нефти.
- Графен – уникальное изобретение и самый прочный материал во Вселенной. О нем ниже чуть подробнее.
- Карбин – линейный полимер аллотропного углерода, из которого делают супертонкие (в 1 атом) и суперпрочные трубки. Долгое время никому не удавалось построить такую трубку длиною более чем 100 атомов. Но австрийским ученым из Венского Университета удалось преодолеть этот барьер. Кроме того, если раньше карбин синтезировался в малых количествах и был очень дорогой, то сегодня появилась возможность синтезировать его тоннами. Это открывает новые горизонты для космотехники и не только.
- Эльбор (кингсонгит, кубонит, боразон) – это наноконструированное соединение, которое сегодня широко применяется в обработке металлов. Твердость – 108 ГПа.
- Фуллерит – вот какой самый твердый материал на Земле, известный человеку сегодня. Его прочность в 310 ГПа обеспечивается тем, что он состоит не из отдельных атомов, а из молекул. Эти кристаллы с легкостью поцарапают алмаз, как нож масло.
Чудо рук человеческих
Графен – еще одно изобретение человечества на основе аллотропных модификаций углерода. С виду – тонкая пленка толщиной в один атом, но в 200 раз прочнее стали, обладающая исключительной гибкостью.
Именно о графене говорят, что, чтобы его проткнуть, на кончике карандаша должен стоять слон. При этом его электропроводность выше кремния компьютерных чипов в 100 раз. Очень скоро он покинет лаборатории и войдет в повседневную жизнь в виде солнечных панелей, сотовых телефонов и чипов современных компьютеров.
Два очень редких результата аномалий в природе
В природе встречаются очень редкие соединения, которые обладают невероятной прочностью.
- Нитрид бора – вещество, кристаллы которого имеют специфическую вюрцитную форму. С приложением нагрузок соединения между атомами в кристаллической решетке перераспределяются, повышая прочность на 75 %. Показатель твердости – 114 ГПа. Образуется это вещество при вулканических извержениях, в природе его очень мало.
- Лонсдейлит (на главном фото) – соединение аллотропного углерода. Материал был обнаружен в воронке метеорита, считается, что он образовался из графита под воздействием условий взрыва. Показатель твердости – 152 ГПа. В природе встречается редко.
Чудеса живой природы
Среди живых существ на нашей планете есть такие, у которых имеется что-то совершенно особенное.
- Паутина Caerostris darwini. Нить, которую выделяет паук Дарвина, прочнее стали и тверже кевлара. Именно эта паутина была взята учеными НАСА на вооружение при разработке космических защитных костюмов.
- Зубы моллюска Морское блюдечко – их волокнистая структура сегодня изучается бионикой. Они настолько прочные, что позволяют моллюску отодрать водоросли, вросшие в камень.
Железная береза
Еще одно чудо природы – береза Шмидта. Ее древесина – самый твердый природный материал биологического происхождения. Растет она на Дальнем Востоке в заповеднике Кедровая Падь и внесена в Красную Книгу. Прочность сравнима с железом и чугуном. Но при этом не подвержена коррозии и гниению.
Повсеместному использованию древесины березы Шмидта, которую не пробивают даже пули, препятствует ее исключительная редкость.
Самый твердый из металлов
Это металл бело-голубого цвета — хром. Но его прочность зависит от его чистоты. В природе его содержится 0,02 %, что совсем не так мало. Добывают его из силикатных горных пород. Много хрома содержат и падающие на Землю метеориты.
Он коррозионностойкий, жаропрочный и тугоплавкий. Хром входит в состав многих сплавов (хромистая сталь, нихром), которые широко используются в промышленности и в антикоррозийных декоративных покрытиях.
Вместе прочнее
Один металл – это хорошо, но в некоторых сочетаниях возможно придание сплаву удивительных свойств.
Сверхпрочный сплав титана и золота – единственный крепкий материал, который оказался биосовместимым с живыми тканями. Сплав beta-Ti3Au настолько прочный, что его невозможно измельчить в ступке. Уже сегодня ясно, что это будущее различных имплантатов, искусственных суставов и костей. Кроме того, он может быть применен в буровом производстве, изготовлении спортивного снаряжения и во многих других областях нашей жизни.
Подобными свойствами может обладать и сплав палладия, серебра и некоторых металлоидов. Над этим проектом сегодня работают ученые института Калтека.
Будущее по 20 долларов за моток
Какой самый твердый материал уже сегодня может купить любой обыватель? Всего за 20 долларов можно купить 6 метров ленты Braeön. С 2017 года она поступила в продажу от производителя Дастина Маквильямса. Химический состав и способ производства хранятся в строгом секрете, но качества ее поражают.
Лентой можно скрепить абсолютно все. Для этого ее необходимо обмотать вокруг скрепляемых деталей, разогреть обычной зажигалкой, придать пластичному составу нужную форму и все. После остывания стык выдержит нагрузку в 1 тонну.
И твердый, и мягкий
В 2017 году появилась информация о создании удивительного материала – самого твердого и самого мягкого одновременно. Этот метаматериал изобрели ученые из Университета Мичиган. Им удалось научиться управлять структурой материала и заставлять его проявлять различные свойства.
Например, при использовании его для создания автомобилей при движении кузов будет обладать жесткостью, а при столкновении – мягкостью. Кузов абсорбирует энергию соприкосновения и защитит пассажира.
Источник: fb.ru