Superhartes Material

Was ist superhartes Material?

Ein superhartes Material ist ein Material mit einem Härtewert von mehr als 40 Gigapascal (GPa), gemessen mit dem Vickers-Härtetest. Sie sind praktisch inkompressible Festkörper mit hoher Elektronendichte und hoher Bindungskovalenz. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sind diese Materialien in vielen Industriebereichen von großem Interesse, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Schleifmittel, Polier- und Schneidwerkzeuge, Scheibenbremsen sowie verschleißfeste und schützende Beschichtungen.

Der Weg zu den neuen superharten Materialien

Beim ersten Ansatz ahmen die Forscher die kurzen, gerichteten kovalenten Kohlenstoffbindungen des Diamanten nach, indem sie leichte Elemente wie Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff kombinieren.

Der zweite Ansatz beinhaltet diese leichteren Elemente (B, C, N und O), führt aber auch Übergangsmetalle mit hohen Valenzelektronendichten ein, um eine hohe Inkompressibilität bereitzustellen. Auf diese Weise werden Metalle mit hohem Kompressionsmodul, aber geringer Härte mit kleinen kovalentbildenden Atomen koordiniert, um superharte Materialien herzustellen. Wolframcarbid ist eine industriell relevante Ausprägung dieses Ansatzes, obwohl es nicht als superhart gilt. Alternativ sind Boride in Kombination mit Übergangsmetallen zu einem reichen Bereich der Superhard-Forschung geworden und haben zu Entdeckungen wie geführtReB2,OsB2, undWB4.

Klassifizierung von superharten Materialien

Superharte Materialien können allgemein in zwei Kategorien eingeteilt werden: intrinsische Verbindungen und extrinsische Verbindungen. Die intrinsische Gruppe umfasst Diamant, kubisches Bornitrid (c-BN), Kohlenstoffnitride und ternäre Verbindungen wie B-N-C, die eine angeborene Härte besitzen. Umgekehrt sind extrinsische Materialien solche, die eine Superhärte und andere mechanische Eigenschaften aufweisen, die eher durch ihre Mikrostruktur als durch ihre Zusammensetzung bestimmt werden. Ein Beispiel für extrinsisches superhartes Material ist ein nanokristalliner Diamant, der als aggregierte Diamant-Nanostäbchen bekannt ist.

Diamant ist das bisher härteste bekannte Material mit einer Vickers-Härte im Bereich von 70–150 GPa. Diamant weist sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch elektrisch isolierende Eigenschaften auf, und es wurde viel Aufmerksamkeit darauf verwendet, praktische Anwendungen für dieses Material zu finden. Die Eigenschaften einzelner natürlicher Diamanten oder Carbonados variieren zu stark für industrielle Zwecke, und daher wurden synthetische Diamanten zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt.

Synthetischer Diamant

Die Hochdrucksynthese von Diamanten 1953 in Schweden und 1954 in den USA, ermöglicht durch die Entwicklung neuer Apparate und Techniken, wurde zu einem Meilenstein in der Synthese von künstlichen superharten Materialien. Die Synthese zeigte deutlich das Potenzial von Hochdruckanwendungen für industrielle Zwecke und weckte ein wachsendes Interesse auf diesem Gebiet.

PDC-Schneider ist eine Art superhartes Material, das polykristallinen Diamanten mit einem Wolframcarbid-Substrat verdichtet. Diamant ist der wichtigste Rohstoff für PDC-Fräser. Da natürliche Diamanten schwierig zu formen sind und viel Zeit in Anspruch nehmen, sind sie zu teuer und kostspielig für die industrielle Anwendung. In diesem Fall hat synthetischer Diamant eine große Rolle in der Industrie gespielt.

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