超硬材料
超硬材料
什麼是超硬材料？
超硬材料是通過維氏硬度測試測量時硬度值超過 40 吉帕 (GPa) 的材料。它們是幾乎不可壓縮的固體，具有高電子密度和高鍵共價鍵。由於其獨特的性能，這些材料在許多工業領域引起了極大的興趣，包括但不限於磨料、拋光和切割工具、盤式製動器以及耐磨和保護塗層。
尋找新型超硬材料的方法
在第一種方法中，研究人員通過結合硼、碳、氮和氧等輕元素來模擬鑽石的短而定向的共價碳鍵。
第二種方法結合了這些較輕的元素（B、C、N 和 O），但也引入了具有高價電子密度的過渡金屬以提供高不可壓縮性。通過這種方式，具有高體積模量但低硬度的金屬與小的共價形成原子配位以產生超硬材料。碳化鎢是這種方法的工業相關表現形式，儘管它不被認為是超硬的。或者，與過渡金屬結合的硼化物已成為超硬研究的豐富領域，並導致了諸如ReB2,OsB2， 和WB4.
超硬材料的分類
超硬材料一般可分為兩類：內在化合物和外在化合物。本徵基團包括金剛石、立方氮化硼 (c-BN)、氮化碳和具有固有硬度的三元化合物，例如 B-N-C。相反，外在材料是那些具有超硬度和其他機械性能的材料，這些機械性能由其微觀結構而不是成分決定。外在超硬材料的一個例子是被稱為聚集金剛石納米棒的納米晶金剛石。
金剛石是迄今為止已知的最硬的材料，維氏硬度在 70-150 GPa 範圍內。金剛石顯示出高導熱性和電絕緣性，並且在尋找這種材料的實際應用方面已經投入了很多注意力。對於工業用途而言，單個天然鑽石或黑金剛石的特性差異太大，因此合成鑽石成為主要的研究重點。
合成鑽石
1953 年在瑞典和 1954 年在美國通過新設備和技術的發展使金剛石的高壓合成成為可能，成為人造超硬材料合成的里程碑。該合成清楚地顯示了高壓應用於工業目的的潛力，並激發了對該領域日益增長的興趣。
PDC刀具是一種以碳化鎢為基體將聚晶金剛石壓實的超硬材料。金剛石是PDC刀具的關鍵原材料。由於天然鑽石難以形成且耗時長，價格昂貴，工業應用成本高，在這種情況下，合成鑽石在行業中發揮了很大的作用。
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