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世界十大超硬材料

本文作者: 发布时间:2021-10-22
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世界十大超硬材料

世界十大超硬材料

世界十大超硬材料

一、钻石(金刚石:地球上天然存在中最坚硬的物质)
钻石Diamond一词,出自希腊语Adamas,意思是坚硬、不可驯服。钻石被誉为“宝石之王”,,是最受人们喜爱的宝石之一。钻石也就是金刚石。

钻石是经过琢磨的金刚石,它在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳 (C)元素构成,具有立方结构的天然无色晶体。金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质。人工合成金刚石的方法主要有两种,高温高压法及化学气相沉积法。金刚石的用途非常广泛,比如工艺品、工业中的切割工具也是贵重宝石。
钻石其实是一种密度相当高的碳结晶体。钻石的化学成分是碳,这在宝石中是唯一由单一元素组成的,属等轴晶系。它常含有0.05%-0.2%的杂质元素,其中最重要的是N和B,他们的存在关系到钻石的类型和性质。它的晶体形态多呈八面体、菱形十二面体、四面体及它们的矩形。
纯净的钻石无色透明,由于微量元素的混入而呈现不同颜色。强金刚光泽。折光率2.417,色散中等,为0.044。均质体。热导率为0.35卡/厘米/秒/度。用热导仪测试,反应最为灵敏。硬度为10,是目前已知最硬的矿物,绝对硬度是石英的1000倍,刚玉的150倍,钻石怕尤怕重击,重击后会顺其解理破碎。钻石的化学性质十分稳定,在常温下不容易溶于酸和碱,酸碱不会对其产生作用。
合成钻石于1955年首先由日本研制成功,但未批量生产。因为合成钻石要比天然钻石费用高,因此市场上合成钻石很少见。

全球钻石的主要产地是澳大利亚、博茨瓦纳、加拿大、津巴布韦、纳米比亚、南非、巴西、西伯利亚;世界主要的钻石切磨中心有:比利时安特卫普,以色列特拉维夫,美国纽约,印度孟买,泰国曼谷。尤其是比利时的安特卫普拥有”世界钻石之都”的美誉,全世界钻石交易有一半左右在这里完成,“安特卫普切工”成为完美切工的代名词。
钻石由于极其珍贵,因此其重量使用专用的单位“克拉” 来表示的。1克拉等于0.2克。世界上最大的钻石是一颗名叫 非洲之星的钻石,它镶嵌在英国女王的权杖上,重达530.2克拉,合106.04克。
著名的IGI认证与GIA认证
1)国际宝石学院:是世界顶尖的宝石学院,也是全球最大的独立珠宝首饰鉴定实验室。IGI 自1975年成立于比利时安特卫普。广泛的经验、专业的意见以及长期可靠正直之声誉使得IGI成为珠宝行业参照标准的代名词。作为全球最大的独立实验室,IGI数十年鉴定中开发了激光刻字,暗室照片等专利技术并开创推广了3EX切工评价体系,长期以来一直是全球宝石学的领先者和规范制定者。IGI刚开始的时候只为比利时的少数钻石世家做私人钻石鉴定。后来一些高品质的大钻被销往了欧洲的各个的王室,IGI的名字渐渐在王室之间传开来,比如欧洲、中东和亚洲的王室就把一些普通鉴定师难以鉴定的精细珠宝首饰送到比利时让IGI作分析。
值得一提的是,IGI制定了世界第一张完整全面的钻石切工评级表(Cut Grade Chart),成为了现代钻石切工体系评定标准的雏形。
2)美国宝石学院,是把钻石鉴定证书推广成为国际化的创使者。它是在公元1931年由Mr. Robert Shipley所创立,至今已有将近70几年的历史,其鉴定费用依旧十分高昂。GIA在鉴定书内容品质方面,颇具公信力。GIA尽管是非营利机构,其经费大部分却由美国各大珠宝公司赞助,其证书的出现也符合了美国珠宝商的发展利益,同时它也为很多面向大众人群的消费品牌提供鉴定证书。比如主打主流中产阶级男性的著名美国网店“蓝色尼罗河”,基本上都用的GIA和AGS的证书。
二、石墨烯(石墨烯断裂强度比最好的钢材高200倍)
石墨烯,是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,尤其在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有十分重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。 值得一提的是,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的,只有一层原子的二维材料。石墨烯断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。可以作为超薄、超强、导电导热性能优良的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK,是为止导热系数最高的碳材料。石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。石墨烯具有非常良好的光学特性,在较宽波长范围内吸收率约为2.3%,看上去几乎是透明的。
石墨烯可以做成化学传感器,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。 石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。 石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。
石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。比如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。
韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止”块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。
新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9纳米宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,能高效过滤海水中的盐份。
由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年,美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用
石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化 ,同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极,而不会改变或破坏性能,如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性,石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。 石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效,而且不会伤害到人体细胞。
石墨和石墨烯广泛应用在:电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。
值得一提的是,中国在石墨烯研究上也具有十分独特的优势,从生产角度看,石墨烯作为生产原料的石墨,在我国储能非常丰富,价格低廉。欧盟委员会曾经将石墨烯作为”未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。
三、碳炔(强度超过钻石的40倍)
碳炔是碳原子聚集在一起形成的链,这些碳原子通过双键或者交替的单键和三键连接在一起。碳炔被认为是世界上最强韧的材料,强度超过钻石40倍,碳炔已被证明比钢强200多倍,是石墨烯强度的两倍。碳炔在未来超高强度设备的发展中将有很重要的用途。

美国工程(engineering)网站2013年10月14日曾经报道,赖斯大学的计算模型证明碳炔是世界上最强的材料。在过去几个世纪里,材料工程师一直致力于发展更强大的材料。之前金属曾经一马当先,而在最近几十年里纳米材料证明他们是地球上最强的材料。
尽管碳炔过去已经在室温下合成,但科学家们还没有找到一个方法来批量生产该材料。假如这个技术突破能够实现,那么轻、强的材料将会影响地球和太空中的产业。
碳炔的硬度比目前已知最硬的材料还要大。碳纳米管和石墨烯的硬度为4.5×108牛顿米/千克,而碳炔则能达到109牛顿米/千克。
碳炔具有无与伦比的强度,而且需要施加10纳米牛(nanoNewtons)的外力才能破坏其单链结构。如果转化为强度,可达6.0至7.5×107牛顿米/千克,超过了石墨烯的4.7至5.5×107牛顿米每/克,碳纳米管的4.3至5.0×107牛顿米/千克和金刚石的2.5至6.5×107牛顿米/千克。
碳炔还有一些有意思的性能。比如它的柔韧性与聚合物和双链DNA相似。一旦发生扭曲时,它的整个结构可以自由旋转,强度取决于末端化学组的牢固程度。而最有趣的或许是其稳定性,研究发现当两组碳炔链接触时的确会发生反应,但存在一个激活屏障,能够很容易防止这种情况的发生。
1885年,德国有机化学家阿道夫·冯-贝耶尔首次提出碳炔的概念,他将其描述为一种无限长的碳碳单键和三键交替而成的碳链。但他提醒,由于其极不稳定,因此很难制造出来。
之前,美国科学家经过理论计算指出,碳炔这种碳原子一维线性带状物的强度应该比任何已知的材料更硬更坚固,拥有巨大的抗张强度和硬度,硬度是钻石的40倍、石墨烯的两倍,因此,可用于制备超坚固的设备。另外,它还拥有仅被拉伸3%就能从导体转变成绝缘体的独特属性,因而备受电子设备领域青睐。
尽管科学家们可采用某些方法让碳链保持稳定,但此前只能制备出最多拥有100个碳原子的不稳定碳链。而现在,维也纳大学的托马斯·皮赫莱尔团队通过新方法大批量制备出稳定的碳长链,有些长链拥有6000多个碳原子,被认为是有史以来最接近碳炔的“产品”。科学家们曾经将两层石墨烯卷成团,制造出了一个双壁的碳纳米管,并在石墨烯薄片的缝隙内合成出这种碳长链,缝隙能保护这种材料并让其保持稳定。  
四、碳纳米管(碳纳米管强度比同体积钢的强度高100倍)
碳纳米管,作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍,重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。近些年,随着碳纳米管及纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景也不断地展现出来。
碳纳米管具有良好的力学性能,CNTs抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级;它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,大约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。
碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。
碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有非常良好的柔韧性,可以拉伸。尤其在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的一个关键因素是长径比,即长度和直径之比。材料工程师希望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上,是理想的高强度纤维材料。值得一提的是,美国宾州州立大学的研究人员称,碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍,重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称”超级纤维”。
莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下(相当于水下10000米深的压强),由于巨大的压力,碳纳米管被压扁。撤去压力后,碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状,并且表现出良好的韧性。这意味着人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧,用在汽车、火车上作为减震装置,能够大大减轻重量。值得注意的是,碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。
碳纳米管具有良好的导电性能,由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,因此具有很好的电学性能。

碳纳米管具有良好的传热性能,CNTs具有非常大的长径比,因而其沿着长度方向的热交换性能很高,相对的其垂直方向的热交换性能较低,通过合适的取向,碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外,碳纳米管有着较高的热导率,只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。
五、硼烯(神奇纳米材料)
硼烯最早并不是诞生在实验室,而是在计算机里:计算机模拟显示,硼氧化物的诞生可能可以追溯到1990年,以显示硼原子如何形成单层。从20多年前开始,世界各地的科学家都通过计算机模拟,证明了硼烯的存在,并对其性质进行了预测。因此,硼烯是美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家合作研究获得了只有单原子厚度的二维硼材料。

石墨烯是一种呈蜂巢状排列的单层碳原子结构,是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料。但是,继石墨烯之后,科学家希望找到更多具有优良特性的二维材料。元素硼由于是碳的”近邻”而成为首要目标。然而,被称为石墨烯”兄弟”的硼烯并非自然存在,只能人工合成。
科学家对硼烯的理论结构预测已超过10年,但从未成功合成。即便有个别的薄膜等样品,其结构也是异常复杂。因此,硼烯的制备成为国际凝聚态物理及材料物理界公认的世界难题。
硼烯与石墨烯中的碳一样具有相同的六边形晶格排列,但在每个六边形中心还另有一个硼原子。硼烯在某个方向上比石墨烯的强度还要高。如此优越的力学性质,加上特殊的电学性质和热学性质,硼烯的应用前景将十分宽广。硼烯由于拥有优越的电学、力学、热学属性,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”。
硼烯是目前已知最轻的二维材料。硼烯拥有很高的表面活性,也更容易发生化学反应:这使得硼烯非常适合用来在电池里储存金属离子。因此,对于锂电池、钠电池、镁电池来说,硼烯都是极为理想的电极材料,同等重量可以储存多得多的电能。
硼烯还有一个令人惊讶的应用可能是储氢。研究表明,这种材料可以储存超过15%自身重量的氢,远超普通材料可以处理的量。它还可以作为催化剂,将水分解成氢和氧离子。氢原子也很容易粘附在硼卟啉的单层结构上,这种吸附性能与原子层的巨大表面积相结合,使得硼卟啉成为一种很有前景的储氢材料。理论研究表明,硼氧化物可以将其重量的15%以上储存在氢气中,明显优于其他材料。
硼烯还具有超导性。硼烯还有可能成为超导体。美国Rice大学BorisYakobson等人通过理论计算发现,在金属衬底上制备出的几种稳定的单层硼烯结构有可能具有以声子为媒介的超导特性,其超导转变温度预计在10-20K之间。清华大学倪军教授研究组也通过计算预言了带翘曲结构的双层硼烯薄膜有超导的可能性,其中8-C2/m-II结构的硼烯的超导转变温度可以达到27.6K。
研究发现,几层硼烯是非常好的超级电容材料。在很高的能量密度下,硼烯制成的超级电容可以实现极高的循环稳定性。

硼烯还是最轻的析氢反应催化剂。硼硅烯具有将催化分子氢分解成氢离子,将水分解成氢和氧离子的能力。事实上,世界上的化学家们信心十足。硼烯可能成为进入世界的下一个奇迹材料。
六、气凝胶(绝缘能力比最好的玻璃纤维强39倍)
气凝胶又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂,使凝胶中液体含量比固体含量少得多,或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体,外表呈固体状,这即为干凝胶,也称为气凝胶。比如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质,即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。

气凝胶,作为世界最轻的固体,已入选吉尼斯世界纪录。目前最轻的硅气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米,比空气密度略低,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。气凝胶看上去“弱不禁风”,其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。另外它的导热性和折射率也非常低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性,气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料,比如俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行热绝缘。
美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶,由于密度只有每立方厘米3毫克,日前已经作为“世界上密度最低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》。
这种气凝胶呈半透明淡蓝色,重量极轻,因此人们也把它称为“固态烟”。新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”材料科学家史蒂芬·琼斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅,但因为它99.8%都是空气,因此,密度只有玻璃的千分之一。
气凝胶在航天中的应用远不止这些,美国国家宇航局的“星尘”号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命———收集彗星微粒。科学家认为,彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古老的物质,研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。2006年,“星尘”号飞船带着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球。
气凝胶的基本制备原理就是除去凝胶中的溶剂,让其保留完整的骨架。在之前制备气凝胶的案例中,科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能产生有序的结构,但依赖于模板的精细结构和尺寸,难以大量制备。
后来课题组另辟蹊径,探索出无模板冷冻干燥法:将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干,便获得了“碳海绵”,并且可以任意调节形状,令生产过程更加便捷,也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

据专家介绍,“碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。科研人员声称,“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。
七、纳米线(比钢坚硬15倍)
纳米线是一种一维材料,在横向上被限制在100纳米以下,纵横比在1000以上。碳纳米管就是纳米线大家族中的明星材料。根据组成材料的不同,纳米线可分为不同的类型,包括金属纳米线,半导体纳米线和绝缘体纳米线。通常情况下,随着尺寸的减小,纳米线会体现出比大块材料更好的机械性能,强度变强,韧度变好。在电子、光电子和纳电子机械器械中,纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。

纳米线能够将太阳光自然聚集到晶体中一个非常小的区域,聚光能力是普通光照强度的15倍。研究人员表示,这种垂直分支结构可以为化学反应提供比平面结构高40万倍的表面积。 研究人员还有更为远大的目标,他们盯在了人工光合作用。在自然界的光合作用中,植物不仅吸收阳光,还吸收二氧化碳和水,产生碳水化合物供其自身生长。研究人员希望有一天能够模仿这一过程,利用纳米“森林”来吸收大气中的二氧化碳。
值得一提的是,2013年英国科学家研制出一种玻璃(二氧化硅)纳米纤维,比头发细千倍却比钢坚硬15倍,堪称世界上最高强度、最轻的“纳米线”。从历史上看,碳纳米管是最强的物质,但其高强度只能在仅几微米长的样品中测量到,实用价值不大。
相比之下,二氧化硅纳米线比高强度钢硬15倍,比传统的强化玻璃钢强10倍。人们可以减少材料使用量,从而减轻物体的重量。生产纳米线的硅和氧在地壳层是最常见的可持续和廉价利用的元素。此外,可以生产吨级二氧化硅纳米纤维,用于光学纤维电力网络。特别具有挑战性的是如何处理如此之小的纤维,它们比人的头发细近千倍。事实上,当它们变得非常非常小时,其行为便出现完全不同的方式,不再像玻璃那样易碎和破裂,而是如塑料般柔软,这意味着它们具有可以被抻拉的韧性。该研究结果可用来改造航空、航海和安全等行业。
科学家还研发出一种微电池,这种电池里有着垂直排列的镍—锡纳米线,这些纳米线外面均匀地包裹着一种叫做PMMA的多聚体材料,也就是人们俗称的有机玻璃。PMMA的主要作用是绝缘,当电流通过时,它能保护里面的纳米线不受反电极的影响。这种电池比普通的锂电池充电时间更短,其他性能也更为出色。
八、氮化硼(立方氮化硼比金刚石还硬)
氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮,具有四种不同的变体:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。立方氮化硼比金刚石还硬一些,其他种类氮化硼硬度稍弱于金刚石。氮化硼具有耐高温、耐腐蚀、导热性好、热膨胀系数低、抗热震性好、化学稳定性好、良好的润滑性,以及优良的电学性能,在电子、冶金、化工、宇航等尖端技术中具有极为广泛的用途。

氮化硼具有多种优良性能:比如广泛应用于高压高频电及等离子弧的绝缘体、自动焊接耐高温架的涂层、高频感应电炉的材料、半导体的固相掺和料、原子反应堆的结构材料、防止中子辐射的包装材料、雷达的传递窗、雷达天线的介质和火箭发动机的组成物等。
由于具有优良的润滑性能,用作高温润滑剂和多种模型的脱模剂。模压的氮化硼可制造耐高温坩埚和其他制品。可作超硬材料,适用于地质勘探、石油钻探的钻头和高速切削工具。也可用作金属加工研磨材料,具有加工表面温度低、部件表面缺陷少的特点。氮化硼还可用作各种材料的添加剂。由氮化硼加工制成的氮化硼纤维,为中模数高功能纤维,是一种无机合成工程材料,可广泛使用于化学工业、纺织工业、宇航技术和其他尖端工业部门。
氮化硼纤维用途:由于氮化硼热稳定性和耐磨性好以及化学稳定性强,可用作温度传感器套,火箭、燃烧室内衬和等离子体喷射炉材料;用作陶瓷基复合材料的增强剂、导弹和飞行器的天线窗部件、电绝缘器、防护服、重返大气层的降落伞以及火箭喷管鼻锥等材料;用于高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等。
由于氮化硼热稳定性和耐磨性好以及化学稳定性强,可用作温度传感器套,制造高温物件,如火箭、燃烧室内衬和等离子体喷射炉材料。可作高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等。六方氮化硼转化立方体,粉状可转化纤维状,使其用途更加广泛,可用作超硬材料,用于电绝缘器、天线窗、防护服、重返大气层的降落伞以及火箭喷管鼻锥等。
九、金刚砂(碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼)
碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物,当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,稍稍低于金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。

碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼,在无机材料中排行第四。目前已能通过热压烧结法制得高致密度的碳化硅。它具有很高的强度及良好的抗氧化性能,在高温下不变形,可作为高温燃气轮机上的涡轮叶片,也可作耐磨的密封材料,还可作火箭尾喷管的喷嘴及轻质的防弹用品等。
金刚砂,是无色晶体。密度,硬度很大,大约是莫氏9.5度。一般的是无色粉状颗粒。磨碎以后,可以作研磨粉,可制擦光纸,又可制磨轮和砥石的摩擦表面。由砂和适量的碳放在电炉中加强热制得。
天然金刚砂又名石榴子石,系硅酸盐类矿物。经过水力分选,机械加工,筛选分级等方法制成的研磨材料。生产使用历史悠久,古代中国就有使用金刚砂研磨水晶玻璃,各种玉石的史例。
十、钛合金(高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度)
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。世界上已研制出的钛合金有数百种,最著名的合金有20~30种。钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点,广泛用于工业生产,主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。
第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。
50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600~650℃。
世界上已研制出的钛合金有数百种,最著名的合金有20~30种。
钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是十分理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等。目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术。

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