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科學(xué)家合成新型納米材料硬度超鉆石

關(guān)鍵詞 氮化硼材料 , 硬度 , 納米孿晶|2013-02-01 09:17:28|來(lái)源 中國(guó)磨料磨具網(wǎng)
摘要 ??????北京時(shí)間2月1日消息,據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報(bào)道,傳統(tǒng)上認(rèn)為鉆石是自然界硬度最高的物質(zhì),也因此常常會(huì)被用在工業(yè)鉆頭上。但科學(xué)家們近日合成了一種硬度超越鉆石的新材料。...
       北京時(shí)間2月1日消息,據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報(bào)道,傳統(tǒng)上認(rèn)為鉆石是自然界硬度最高的物質(zhì),也因此常常會(huì)被用在工業(yè)鉆頭上。但科學(xué)家們近日合成了一種硬度超越鉆石的新材料。
   
        來(lái)自美國(guó)芝加哥大學(xué),新墨西哥大學(xué),中國(guó)燕山大學(xué),吉林大學(xué)以及河北工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們近期成功合成一種具有超高硬度的氮化硼材料,不同于一般的氮化硼材料,這種新材料形式的硬度超過(guò)了鉆石。

        根據(jù)研究人員們進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試,這種透明物質(zhì)的硬度勝過(guò)鉆石,或者至少與之相當(dāng)。其維氏硬度測(cè)試達(dá)到108 GPa,而人造鉆石的這一分值是100 GPa,而一般市場(chǎng)上的立方氮化硼材料的硬度值只有其一半左右。

       硬度發(fā)生如此提升的奧秘在于其內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)。田永軍(Yongjun Tian,音譯)和其它研究人員使用洋蔥般層狀結(jié)構(gòu)的氮化硼顆粒,然后將其在1800攝氏度高溫和15 GPa(相當(dāng)于汽車胎壓的6.8萬(wàn)倍)環(huán)境下壓縮,在這種條件下這些晶體發(fā)生再結(jié)晶并形成孿晶結(jié)構(gòu)。

        在納米孿晶結(jié)構(gòu)中,相鄰的原子共用一個(gè)邊界,就像公寓樓里相鄰的房間共用一堵墻壁一樣。而為了讓晶體硬度更高,科學(xué)家們盡量讓晶體顆粒的體積變小,這就讓它的結(jié)構(gòu)被瓦解的可能性大大降低,因?yàn)闃O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(fā)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(jié)構(gòu)的內(nèi)在缺陷效應(yīng)幾乎已經(jīng)開(kāi)始抵消緊湊結(jié)構(gòu)帶來(lái)的穩(wěn)定性了,反而開(kāi)始削弱整體結(jié)構(gòu)。

        然而納米孿晶的形式可以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,對(duì)于氮化硼來(lái)說(shuō),其可以達(dá)到在4納米尺度上保持強(qiáng)度。這樣得到的晶體結(jié)構(gòu)在極高的溫度下也仍然是穩(wěn)定的。

        研究人員表示:“在我們制成的納米孿晶立方氮化硼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的熱穩(wěn)定,化學(xué)穩(wěn)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(yè)應(yīng)用的理想材料。”

        田永軍表示,通過(guò)未來(lái)的進(jìn)一步研究,這種超硬度材料的價(jià)格將會(huì)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)械加工,打磨和切割等,還有科學(xué)儀器的制造。

        當(dāng)然現(xiàn)在的問(wèn)題在于,要想精確地測(cè)定一種材料的硬度,你需要制造一種硬度比它更高的材料,將其制成倒金字塔型,然后測(cè)試看看需要多大壓力才能將塔尖壓入待測(cè)材料。因此從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō),要想精確測(cè)定此次科學(xué)家們合成的這種超硬度材料還另需時(shí)日。



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