Каталог
  

Крепче алмаза


Самый прочный материал в мире — Карбин

Под определением прочность подразумевается способность материалов не поддаваться разрушению в результате воздействия внешних сил и факторов, приводящих к внутреннему напряжению. У материалов, обладающих высокой прочностью, широкая область применения. В природе существую не только твердые металлы и прочные породы древесины, но и искусственно созданные высокопрочные материалы. Многие люди уверены в том, что самый прочный материал в мире – это алмаз, но так ли это в действительности?

Общая информация:

  • Дата открытия — начало 60-х годов;

  • Первооткрыватели — Сладков, Кудрявцев, Коршак, Касаткин;

  • Плотность — 1,9-2 г/см3.

В недавнем времени научные сотрудники из Австрии завершили работу по налаживанию устойчивого изготовления карбина, являющегося аллотропной формой углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Показатели его прочности в 40 раз превзошли показатели алмаза. Информация об этом была размещена в одном из номеров научного печатного периодического издания «Nature Materials».

Строение карбина

После тщательного изучения его свойств, ученые пояснили, что по прочности он не сравнится ни с одним ранее открытым и изученным материалом. Тем не менее в процессе производства возникли значительные трудности: структура карбина образована из атомов углерода, собранных в длинные цепочки, в результате чего он начинает разрушаться в процессе изготовления.

Для устранения выявленной загвоздки, физики из общественного университета в Вене создали специальное защитное покрытие, в котором и синтезировался карбин. В качестве защитного покрытия использовались слои графена, положенные друг на друга и свернутые в «термос». Пока физики прилагали все усилия для достижения стабильных форм, они выяснили, на электрические свойства материала влияет протяженность атомной цепочки.

Извлекать карбин из защитного покрытия без повреждений исследователи так и не научились, поэтому изучение нового материала продолжается, руководствуются ученые только лишь относительной устойчивостью атомных цепочек.

Карбин

Карбин – малоизученная аллотропная модификация углерода, первооткрывателями которой стали советские ученые-химики: А.М.Сладков, Ю.П.Кудрявцев, В.В.Коршак и В.И.Касаточкин. Информация о результате проведения опыта с подробным описанием открытия материала в 1967 году появилась на страницах одного из крупнейших научных журналов — «Доклады академии наук СССР». Спустя 15 лет в американском научном журнале «Science» появилась статья, поставившая под сомнение результаты, которые получили советские химики. Выяснилось, что присвоенные малоизученной аллотропной модификации углерода сигналы могли быть связаны с присутствием примесей силикатов. С годами подобные сигналы обнаружили в межзвездном пространстве.

Общая информация:

  • Первооткрыватели — Гейм, Новоселов;

  • Кристаллическая структура — гексагональная решетка;

  • Теплопроводность — 1 ТПа.

Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную решетку. Несмотря на высокую прочность графена, толщина его слоя составляет 1 атом.

Первооткрывателями материала стали русские физики, Андрей Гейм и Константин Новоселов. В своей стране ученые не заручились финансовой поддержкой и приняли решение о переезде в Нидерланды и Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии. В 2010 году ученым присудили Нобелевскую премию.

Графен

На листе графена, площадь которого равняется одному квадратному метру, а толщина – одному атому, свободно держатся предметы массой до четырех килограмм. Помимо того, что графен высокопрочный материал, он еще и очень гибкий. Из материала с такими характеристиками в будущем можно будет плести нити и другие веревочные структуры, не уступающие в прочности толстому стальному канату. При определенных условиях материал, открытый русскими физиками, может справляться с повреждениями в кристаллической структуре.

Лонсдейлит

Общая информация:

  • Год открытия — 1967;

  • Цвет — коричнево-желтый;

  • Измеренная плотность — 3,2 г/см3;

  • Твердость — 7-8 единиц по шкале Мооса.

Лонсдейлит

Структура лонсдейлита, обнаруженного в воронке метеорита, схожа с алмазом, оба материала – это аллотропные модификации углерода. Вероятнее всего, в результате взрыва графит, являющийся одним из компонентов метеорита, и превратился в лонсдейлит. На момент обнаружения материала ученые не отметили высоких показателей твердости, тем не менее, было доказано, если в нем не будет примесей, то он ничем не будет уступать высокой твердости алмаза.

Вюрцитный нитрид бора

Общая информация о нитриде бора:

  • Плотность — 2,18 г/см3;

  • Температура плавления — 2973 градуса по Цельсию;

  • Кристаллическая структура — гексагональная решетка;

  • Теплопроводность — 400 Вт/(м×К);

  • Твердость — меньше 10 единиц по шкале Мооса.

Вюрцитный нитрид бора

Основные отличия вюрцитного нитрида бора, представляющего собой соединение бора с азотом, заключаются в термической и химической стойкости и огнеупорности. Материал может быть разной кристаллической формы. К примеру, графитная самая мягкая, но при этом стабильная, именно она используется в косметологии. Сфалеритная структура в кристаллической решетке подобна алмазам, но уступает по показателям мягкости, обладая при этом лучшей химической и термической стойкостью. Такие свойства вюрцитного нитрида бора позволяют использовать его в оборудовании для высокотемпературных процессов.

Общая информация:

  • Твердость – 1000 Гн/м2;

  • Прочность – 4 Гн/м2;

  • Год открытия металлического стекла – 1960.

Аморфные металлы

Металлическое стекло – материал с высоким показателем твердости, неупорядоченной структурой на атомарном уровне. Основное отличие структуры металлического стекла от обычного – высокая электропроводность. Получают такие материалы в результате твердотельной реакции, быстрого охлаждения или ионного облучения. Ученые научились изобретать аморфные металлы, показатели прочности которых в 3 раза больше, чем у стальных сплавов.

Мартенситно-стареющая сталь

Общая информация:

  • Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;

  • Предел упругости – 1500 Мпа;

  • KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Мартенситно-стареющая сталь

Общая информация:

  • Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;

  • Предел упругости – 1500 Мпа;

  • KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Мартенситно-стареющие стали – сплавы железа, обладающие высокой прочностью при ударах, при этом не теряющие тягучести. Несмотря на такие характеристики, материал не держит режущую кромку. Полученные путем термообработки сплавы – это низкоуглеродистые вещества, берущие прочность от интерметаллидов. В состав сплава входит никель, кобальт и другие карбидообразующие элементы. Данная разновидность высокопрочной, высоколегированной стали легко поддается обработке, связано это с небольшим содержанием в ее составе углерода. Материал с такими характеристиками нашел применение в аэрокосмической области, его используют в качестве покрытия ракетных корпусов.

Осмий

Общая информация:

  • Год открытия – 1803;

  • Структура решетки – гексагональная;

  • Теплопроводность – (300 К) (87,6) Вт/(м×К);

  • Температура плавления – 3306 К.

Кристаллы осмия

Блестящий металл голубовато-белого цвета, обладающий высокой прочностью, принадлежит к платиноидам. Осмий, обладая высокой атомной плотностью, исключительной тугоплавкостью, хрупкостью, высокой прочностью, твердостью и стойкостью к механическим воздействиям и агрессивному влиянию окружающей среды, широко применяется в хирургии, измерительной технике, химической отрасли, электронной микроскопии, ракетной технике и электронной аппаратуре.

Углерод-углеродные композиционные материалы

Общая информация:

  • Плотность – 1,3-2,1 т/м3;

  • Прочность углеродного волокна – 0,5-1 ГПа;

  • Модуль упругости углеродного высокопрочного волокна – 215 Гпа.

Углерод-углеродные композиционные материалы

Углерод-углеродные композиты – материалы, которые состоят из углеродной матрицы, а она в свою очередь армирована углеродными волокнами. Основные характеристики композитов – высокая прочность, гибкость и ударная вязкость. Структура композиционных материалов может быть как однонаправленной, так и трехмерной. Благодаря таким качествам композиты широко используются в различных областях, включая и аэрокосмическую отрасль.

Паутина паука Дарвина

Общая информация:

  • Официальный год открытия паука – 2010;

Ударная вязкость паутины – 350 МДж/м3.

Паутина паука Дарвина

Впервые паука, плетущего сети огромных размеров, обнаружили неподалеку от Африки, на островном государстве Мадагаскар. Официально этот вид пауков открыли в 2010 году. Ученых, прежде всего, заинтересовали паутины, сплетенные членистоногим. Диаметр кругов на несущей нити может доходить до двух метров. Показатели прочности паутины Дарвина превышают показатели прочности синтетического кевлара, используемого в авиационной и автомобильной промышленности.

Алмаз

Общая информация:

  • Теплопроводность – 900-2300 Вт/(м×К);

  • Температура плавления при давлении 11 Гпа – 3700-4000 градусов по Цельсию;

  • Плотность – 3,47-3,55 г/см3;

  • Показатель преломления – 2,417-2,419.

Алмаз

Алмаз в переводе с древнегреческого означает «несокрушимый», однако ученые открыли еще 9 элементов, превосходящих его по показателям прочности. Несмотря на бесконечное существование алмаза в обычной среде, при высокой температуре и инертном газе он может превратиться в графит. Алмаз – эталонный элемент (по шкале Мооса), обладающий одним из самых высоких показателей твердости. Для него, как и для многих драгоценных камней, характерна люминесценция, позволяющая блестеть при попадании на него солнечных лучей.

topkin.ru

Почему алмазы такие прочные? | Журнал БОРДЮР - Journal BORDER

Не только любители дорогих ювелирных изделий восторгаются алмазами: их очень ценят химики, инженеры и производители инструментов.

Потому что алмаз — один их самых прочных материалов.

Если он оказывает давление на другое вещество, то всегда выигрывает, а все прочие материалы сдаются. Исходя из этого свойства, на многие инструменты, например, шлифовальные диски, наносится тонкий алмазный слой.

Но что именно делает алмазы такими крепкими?

«Его трехмерная структура состоит из одинаковых атомов, связанных между собой прочной ковалентной связью».

В основе алмаза только один вид атомов: углерод. Связь атомов углерода друг с другом образует трехмерную решетку, в которой каждый атом соединен определенным образом с четырьмя другими. И все атомы в решетке одинаково сопротивляются какой-либо деформации.

Прочность алмазов на атомном уровне.

На атомном уровне прочность материала зависит от того, насколько сильно могут быть смещены атомы или целые группы атомов относительно друг друга. Если материал оказывает сильное сопротивление такому смещению, то его можно назвать прочным.

Структура алмаза организована настолько хорошо, что ни одна другая структура не может быть равна ей. В ней точно установлено, в каком месте находятся атомы и их соединения: между четырьмя соседними атомами углерода одинаковое расстояние.

Угол между двумя атомами всегда одинаков — 109 градусов. Независимо от того, с какой позиции смотреть. Это делает соединения очень прочными:

«Если Вы попытаетесь надавить на алмаз, Вам не удастся так просто изменить этот угол, чтобы сместить атомы».

«Для реализации смещения надо полностью разрушить соединение углерода с углеродом».

Это возможно только при применении очень большого количества энергии .

Ближайший родственник алмаза в карандаше

Ближайшим родственником алмаза является графит из карандашного грифеля — чрезвычайно мягкий материал.

Он также состоит только из углерода. Но атомы графита организованы в слоистую структуру.

Внутри слоя они крепко держатся друг за друга, но между отдельными слоями связи слабые. Из-за этого они легко смещаются относительно друг друга — достаточно даже легкого давления, как, например, при письме карандашом.

Некоторые слои выскальзывают из структуры и остаются на бумаге. Графит также является отличным смазочным материалом.

Где добывают Алмазы

В природе алмазы образуются только там, где есть очень высокое давление: на больших глубинах. При незначительном давлении на поверхности нашей планеты они превратились бы в графит, потому что это более стабильная форма существования при низком давлении.

Алмазы и огонь

Но это происходит очень, очень медленно — так медленно, что невозможно вести наблюдение. При более высокой температуре превращение идет быстрее, поэтому не стоит класть кольцо с бриллиантом в разогретую духовку.

«Если подержать огонь зажигалки рядом с алмазом, то он сгорит так же, как уголь».

Возможно, бриллианты и являются нашими лучшими друзьями, но они ни в коем случае не вечны, как это обещает реклама.

jborder.ru

Самые твердые материалы в мире

Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.

10. Субоксид бора

Субоксид бора состоит из зёрен имеющих форму выпуклых двадцатигранников. Эти зёрна состоят, в свою очередь, из двадцати кристаллов-многогранников, гранями которого являются четыре треугольника. Субоксид бора имеет повышенную прочность в 45 ГПа.

9. Диборид рения

Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвёрдый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт вызывает бурные дискуссии у ученых всего мира относительно того стоит ли считать диборид рения сверхтвёрдым материалом.

8. Борид магния-алюминия

Борид магния-алюминия составляет собой сплав алюминия, магния и бора. Этот материал имеет невероятно низкие показатели трения скольжения. Это уникальное свойство могло бы стать настоящей находкой в производстве разнообразных механизмов, ведь детали из борида магния-алюминия способны работать без смазки. К сожалению, сплав невероятно дорог, что на данный момент закрывает ему дорогу к широкому применению. Твердость борид магния-алюминия — 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний

Соединение Бор-углерод-кремний обладает невероятной устойчивостью к высочайшим температурам и химическому воздействию. Твердость Бор-углерод-кремния — 70 ГПа.

6. Карбид бора

Карбид бора был открыт еще в 18 веке и начал использоваться почти сразу во многих отраслях промышленности. Его используют при обработке металлов и сплавов, при изготовлении химической посуды, а также в энергетике и электронике. Используется как основное вещество для пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа, а добавляя в него аргон в виде ионов, можно увеличить этот показатель до 72 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора

Нитрид углерода-бора является одним из представителей достижений современной химии, он был синтезирован сравнительно недавно Твердость нитрид углерода-бора — 76 ГПа.

4. Наноструктурированный кубонит

Наноструктурированный кубонит имеет и другие названия: кингсонгит, боразон или эльбор. Материал обладает показателями твёрдости близкими к алмазу и успешно применяется в промышленности при обработке различных металлов и сплавов. Твердость наноструктурированного кубонита — 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора

Структура кристаллов этого вещества имеет особую вюрцитную форму, она то и позволяет быть ему одним из лидеров по твёрдости. При приложении нагрузки связи между атомами в кристаллической решётке перераспределяются и твёрдость материала повышается почти на 75%! Твердость вюрцитного нитрида бора — 114 ГПа.

2. Лонсдейлит

Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита — до 152 ГПа

1. Фуллерит

Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире — фуллерит. Фуллерит — это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов. Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита — 310 ГПа.

Фуллерит

Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и ,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!

www.alto-lab.ru


Смотрите также