Matériau super dur

Qu'est-ce qu'un matériau super dur ?

Un matériau extra-dur est un matériau dont la valeur de dureté dépasse 40 gigapascals (GPa) lorsqu'elle est mesurée par le test de dureté Vickers. Ce sont des solides pratiquement incompressibles avec une densité électronique élevée et une covalence de liaison élevée. En raison de leurs propriétés uniques, ces matériaux présentent un grand intérêt dans de nombreux domaines industriels, y compris, mais sans s'y limiter, les abrasifs, les outils de polissage et de coupe, les freins à disque et les revêtements résistants à l'usure et protecteurs.

La façon de trouver les nouveaux matériaux super durs

Dans la première approche, les chercheurs émulent les liaisons carbone covalentes courtes et directionnelles du diamant en combinant des éléments légers comme le bore, le carbone, l'azote et l'oxygène.

La deuxième approche incorpore ces éléments plus légers (B, C, N et O), mais introduit également des métaux de transition avec des densités d'électrons de valence élevées pour fournir une incompressibilité élevée. De cette façon, les métaux avec des modules de masse élevés mais une faible dureté sont coordonnés avec de petits atomes formant des covalences pour produire des matériaux super durs. Le carbure de tungstène est une manifestation industriellement pertinente de cette approche, bien qu'il ne soit pas considéré comme super dur. Alternativement, les borures combinés avec des métaux de transition sont devenus un riche domaine de recherche super-dur et ont conduit à des découvertes telles queReB2,OsB2, etWB4.

Classification des matériaux extra-durs

Les matériaux extra-durs peuvent être généralement classés en deux catégories : les composés intrinsèques et les composés extrinsèques. Le groupe intrinsèque comprend le diamant, le nitrure de bore cubique (c-BN), les nitrures de carbone et les composés ternaires tels que B-N-C, qui possèdent une dureté innée. Inversement, les matériaux extrinsèques sont ceux qui ont une super dureté et d'autres propriétés mécaniques qui sont déterminées par leur microstructure plutôt que par leur composition. Un exemple de matériau superdur extrinsèque est un diamant nanocristallin connu sous le nom de nanotiges de diamant agrégées.

Le diamant est le matériau le plus dur connu à ce jour, avec une dureté Vickers comprise entre 70 et 150 GPa. Le diamant présente à la fois une conductivité thermique élevée et des propriétés d'isolation électrique, et une grande attention a été accordée à la recherche d'applications pratiques pour ce matériau. Les propriétés des diamants naturels individuels ou du carbonado varient trop largement à des fins industrielles, et les diamants synthétiques sont donc devenus un axe de recherche majeur.

Diamant synthétique

La synthèse à haute pression de diamants en 1953 en Suède et en 1954 aux États-Unis, rendue possible par le développement de nouveaux appareils et techniques, est devenue une étape importante dans la synthèse de matériaux artificiels extra-durs. La synthèse a clairement montré le potentiel des applications à haute pression à des fins industrielles et a stimulé un intérêt croissant dans le domaine.

La fraise PDC est une sorte de matériau super dur qui compacte le diamant polycristallin avec un substrat en carbure de tungstène. Le diamant est la matière première clé pour les fraises PDC. Parce que les diamants naturels sont difficiles à former et prennent beaucoup de temps, ils sont trop chers et coûteux pour une application industrielle, dans ce cas, le diamant synthétique a joué un grand rôle dans l'industrie.

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