Material superduro

¿Qué es un material súper duro?

Un material superduro es un material con un valor de dureza superior a 40 gigapascales (GPa) cuando se mide mediante la prueba de dureza Vickers. Son sólidos virtualmente incompresibles con alta densidad de electrones y alta covalencia de enlace. Como resultado de sus propiedades únicas, estos materiales son de gran interés en muchas áreas industriales que incluyen, entre otros, abrasivos, herramientas de corte y pulido, frenos de disco y revestimientos protectores y resistentes al desgaste.

La forma de encontrar los nuevos materiales superduros

En el primer enfoque, los investigadores emulan los enlaces de carbono covalentes cortos y direccionales del diamante mediante la combinación de elementos ligeros como boro, carbono, nitrógeno y oxígeno.

El segundo enfoque incorpora estos elementos más ligeros (B, C, N y O), pero también introduce metales de transición con densidades de electrones de alta valencia para proporcionar una alta incompresibilidad. De esta forma, los metales con módulos volumétricos elevados pero de baja dureza se coordinan con pequeños átomos formadores de covalentes para producir materiales superduros. El carburo de tungsteno es una manifestación industrialmente relevante de este enfoque, aunque no se considera súper duro. Alternativamente, los boruros combinados con metales de transición se han convertido en un área rica de investigación superdura y han llevado a descubrimientos comoReB2,OsB2, yWB4.

Clasificación de materiales superduros

Los materiales superduros se pueden clasificar generalmente en dos categorías: compuestos intrínsecos y compuestos extrínsecos. El grupo intrínseco incluye diamante, nitruro de boro cúbico (c-BN), nitruros de carbono y compuestos ternarios como B-N-C, que poseen una dureza innata. Por el contrario, los materiales extrínsecos son aquellos que tienen superdureza y otras propiedades mecánicas que están determinadas por su microestructura más que por su composición. Un ejemplo de material superduro extrínseco es un diamante nanocristalino conocido como nanorods de diamante agregado.

El diamante es el material más duro conocido hasta la fecha, con una dureza Vickers en el rango de 70 a 150 GPa. El diamante demuestra una alta conductividad térmica y propiedades de aislamiento eléctrico, y se ha puesto mucha atención en encontrar aplicaciones prácticas para este material. Las propiedades de los diamantes naturales o carbonados individuales varían demasiado para fines industriales y, por lo tanto, los diamantes sintéticos se convirtieron en un importante foco de investigación.

Diamante sintético

La síntesis de diamantes a alta presión en 1953 en Suecia y en 1954 en los EE. UU., posible gracias al desarrollo de nuevos aparatos y técnicas, se convirtió en un hito en la síntesis de materiales superduros artificiales. La síntesis mostró claramente el potencial de las aplicaciones de alta presión para fines industriales y estimuló un creciente interés en el campo.

El cortador de PDC es un tipo de material súper duro que compacta el diamante policristalino con un sustrato de carburo de tungsteno. El diamante es la materia prima clave para los cortadores de PDC. Debido a que los diamantes naturales son difíciles de formar y toman mucho tiempo, son demasiado caros y costosos para la aplicación industrial, en este caso, el diamante sintético ha jugado un papel importante en la industria.

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