人造合成氮化硼材料:硬度超越鑽石

  來自美國芝加哥大學,新墨西哥大學,中國燕山大學,吉林大學以及河北工業大學的科學家們近期成功合成一種具有超高硬度的氮化硼材料,不同於一般的氮化硼材料,這種新材料形式的硬度超過了鑽石。

  根據研究人員們進行的相關測試,這種透明物質的硬度勝過鑽石,或者至少與之相當。其維氏硬度測試達到108 GPa,而人造鑽石的這一分值是100 GPa,而一般市場上的立方氮化硼材料的硬度值只有其一半左右。

  硬度發生如此提升的奧秘在於其內部的納米結構。田永軍(Yongjun Tian,音譯)和其它研究人員使用洋蔥般層狀結構的氮化硼顆粒,然後將其在1800攝氏度高溫和15 GPa(相當於汽車胎壓的6.8萬倍)環境下壓縮,在這種條件下這些晶體發生再結晶並形成孿晶結構。

傳統上認為鑽石是自然界硬度最高的物質,也因此常常會被用在工業鑽頭上。

  在納米孿晶結構中,相鄰的原子共用一個邊界,就像公寓樓裡相鄰的房間共用一堵牆壁一樣。而為了讓晶體硬度更高,科學家們盡量讓晶體顆粒的體積變小,這就讓它的結構被瓦解的可能性大大降低,因為極小的顆粒就意味著要想在其緊湊的原子之間插入其它東西變得越發困難。然而這樣的做法遇到了瓶頸:在大約10納米的尺度上,晶體結構的內在缺陷效應幾乎已經開始抵消緊湊結構帶來的穩定性了,反而開始削弱整體結構。

  然而納米孿晶的形式可以進一步提升結構強度,對於氮化硼來說,其可以達到在4納米尺度上保持強度。這樣得到的晶體結構在極高的溫度下也仍然是穩定的。

  研究人員表示:“在我們製成的納米孿晶立方氮化硼結構實現了優異的熱穩定,化學穩定性和硬度的兩者兼得。其硬度甚至可以媲美金剛石,從而使其成為適合工業應用的理想材料。”

  田永軍表示,通過未來的進一步研究,這種超硬度材料的價格將會與目前市面上出售的普通立方氮化硼材料相接近,其可能的應用領域將包括機械加工,打磨和切割等,還有科學儀器的製造。

科學家們近日合成了一種硬度超越鑽石的新材料。

  當然現在的問題在於,要想精確地測定一種材料的硬度,你需要製造一種硬度比它更高的材料,將其製成倒金字塔型,然後測試看看需要多大壓力才能將塔尖壓入待測材料。因此從這個角度上來說,要想精確測定此次科學家們合成的這種超硬度材料還另需時日。




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