Materiale super duro

Cos'è il materiale super duro?

Un materiale superduro è un materiale con un valore di durezza superiore a 40 gigapascal (GPa) misurato mediante il test di durezza Vickers. Sono solidi praticamente incomprimibili con un'elevata densità di elettroni e un'elevata covalenza di legame. Come risultato delle loro proprietà uniche, questi materiali sono di grande interesse in molte aree industriali inclusi, ma non limitati a, abrasivi, utensili per lucidatura e taglio, freni a disco e rivestimenti protettivi e resistenti all'usura.

Il modo per trovare i nuovi materiali superduri

Nel primo approccio, i ricercatori emulano i legami di carbonio covalenti corti e direzionali del diamante combinando elementi leggeri come boro, carbonio, azoto e ossigeno.

Il secondo approccio incorpora questi elementi più leggeri (B, C, N e O), ma introduce anche metalli di transizione con densità elettroniche di valenza elevate per fornire un'elevata incomprimibilità. In questo modo, metalli con moduli di massa elevati ma bassa durezza sono coordinati con piccoli atomi che formano covalenti per produrre materiali superduri. Il carburo di tungsteno è una manifestazione industriale di questo approccio, sebbene non sia considerato super duro. In alternativa, i boruri combinati con i metalli di transizione sono diventati una ricca area di ricerca superhard e hanno portato a scoperte comeReB2,OsB2, eWB4.

Classificazione dei materiali superduri

I materiali superduri possono essere generalmente classificati in due categorie: composti intrinseci e composti estrinseci. Il gruppo intrinseco comprende diamante, nitruro di boro cubico (c-BN), nitruri di carbonio e composti ternari come BNC, che possiedono una durezza innata. Al contrario, i materiali estrinseci sono quelli che hanno una super durezza e altre proprietà meccaniche determinate dalla loro microstruttura piuttosto che dalla composizione. Un esempio di materiale superduro estrinseco è un diamante nanocristallino noto come nanorods di diamante aggregato.

Il diamante è il materiale più duro conosciuto fino ad oggi, con una durezza Vickers compresa tra 70 e 150 GPa. Il diamante dimostra sia un'elevata conduttività termica che proprietà elettricamente isolanti e molta attenzione è stata dedicata alla ricerca di applicazioni pratiche per questo materiale. Le proprietà dei singoli diamanti naturali o carbonado variano troppo ampiamente per scopi industriali, e quindi i diamanti sintetici sono diventati un importante obiettivo di ricerca.

Diamante sintetico

La sintesi ad alta pressione di diamanti nel 1953 in Svezia e nel 1954 negli Stati Uniti, resa possibile dallo sviluppo di nuovi apparati e tecniche, divenne una pietra miliare nella sintesi di materiali superduri artificiali. La sintesi ha mostrato chiaramente il potenziale delle applicazioni ad alta pressione per scopi industriali e ha stimolato un crescente interesse nel campo.

La fresa PDC è un tipo di materiale super duro che compatta il diamante policristallino con un substrato di carburo di tungsteno. Il diamante è la materia prima chiave per le frese PDC. Poiché i diamanti naturali sono difficili da formare e richiedono molto tempo, sono troppo costosi e costosi per l'applicazione industriale, in questo caso, il diamante sintetico ha svolto un ruolo importante nel settore.

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