超硬素材

超硬素材とは？

超硬材料とは、ビッカース硬さ試験で測定した硬度値が 40 ギガパスカル (GPa) を超える材料です。それらは、高い電子密度と高い結合共有結合を持つ事実上非圧縮性の固体です。これらの材料は、その独自の特性により、研磨剤、研磨および切削工具、ディスク ブレーキ、耐摩耗性および保護コーティングなど、多くの産業分野で大きな関心を集めています。

新しい超硬材料を見つける方法

最初のアプローチでは、研究者は、ホウ素、炭素、窒素、酸素などの軽元素を組み合わせることで、ダイヤモンドの短い方向性の共有炭素結合をエミュレートします。

2 番目のアプローチでは、これらの軽い元素 (B、C、N、および O) を組み込みますが、高い非圧縮性を提供するために、価電子密度の高い遷移金属も導入します。このようにして、バルク弾性率は高いが硬度が低い金属は、共有結合を形成する小さな原子と協調して超硬材料を生成します。炭化タングステンは、超硬とは見なされていませんが、このアプローチの工業的に関連する兆候です。あるいは、遷移金属と結合したホウ化物は、超硬研究の豊富な分野になり、次のような発見につながっています。ReB2、OsB2、 とWB4.

超硬材料の分類

超硬材料は一般に、内因性化合物と外因性化合物の 2 つのカテゴリに分類できます。固有のグループには、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素 (c-BN)、窒化炭素、および固有の硬度を有する B-N-C などの三元化合物が含まれます。逆に、外因性材料は、組成ではなく微細構造によって決定される超硬度およびその他の機械的特性を持つ材料です。外因性超硬材料の例は、凝集ダイヤモンドナノロッドとして知られるナノ結晶ダイヤモンドです。

ダイヤモンドは、ビッカース硬度が 70 ～ 150 GPa の範囲で、これまでで最も硬いことが知られている材料です。ダイヤモンドは高い熱伝導率と電気絶縁性を併せ持ち、この材料の実用化に多くの注目が集まっています。個々の天然ダイヤモンドまたはカーボナードの特性は、工業目的にはあまりにも大きく異なるため、合成ダイヤモンドが主要な研究対象となりました。

合成ダイヤモンド

1953 年にスウェーデンで、1954 年に米国で行われたダイヤモンドの高圧合成は、新しい装置と技術の開発によって可能になり、人工超硬材料の合成における画期的な出来事となりました。この合成は、工業目的の高圧用途の可能性を明確に示し、この分野への関心の高まりを刺激しました。

PDCカッターは、多結晶ダイヤモンドをタングステンカーバイド基板で圧縮する超硬材料の一種です。ダイヤモンドは、PDC カッターの主要な原材料です。天然ダイヤモンドは形成が難しく、時間がかかるため、高価であり、産業用途にはコストがかかります。この場合、合成ダイヤモンドは業界で大きな役割を果たしてきました.

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