科學(xué)家合成新型納米材料硬度超鉆石
2013-02-21
jie2056
據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報道，傳統(tǒng)上認(rèn)為鉆石是自然界硬度最高的物質(zhì)，也因此常常會被用在工業(yè)鉆頭上。但科學(xué)家們近日合成了一種硬度超越鉆石的新材料。
來自美國芝加哥大學(xué)，新墨西哥大學(xué)，中國燕山大學(xué)，吉林大學(xué)以及河北工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們近期成功合成一種具有超高硬度的氮化硼材料，不同于一般的氮化硼材料，這種新材料形式的硬度超過了鉆石。
根據(jù)研究人員們進(jìn)行的相關(guān)測試，這種透明物質(zhì)的硬度勝過鉆石，或者至少與之相當(dāng)。其維氏硬度測試達(dá)到108 GPa，而人造鉆石的這一分值是100 GPa，而一般市場上的立方氮化硼材料的硬度值只有其一半左右。
硬度發(fā)生如此提升的奧秘在于其內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)。田永軍(Yongjun Tian,音譯)和其它研究人員使用洋蔥般層狀結(jié)構(gòu)的氮化硼顆粒，然后將其在1800攝氏度高溫和15 GPa(相當(dāng)于汽車胎壓的6.8萬倍)環(huán)境下壓縮，在這種條件下這些晶體發(fā)生再結(jié)晶并形成孿晶結(jié)構(gòu)。
在納米孿晶結(jié)構(gòu)中，相鄰的原子共用一個邊界，就像公寓樓里相鄰的房間共用一堵墻壁一樣。而為了讓晶體硬度更高，科學(xué)家們盡量讓晶體顆粒的體積變小，這就讓它的結(jié)構(gòu)被瓦解的可能性大大降低，因?yàn)闃O小的顆粒就意味著要想在其緊湊的原子之間插入其它東西變得越發(fā)困難。然而這樣的做法遇到了瓶頸：在大約10納米的尺度上，晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在缺陷效應(yīng)幾乎已經(jīng)開始抵消緊湊結(jié)構(gòu)帶來的穩(wěn)定性了，反而開始削弱整體結(jié)構(gòu)。
然而納米孿晶的形式可以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對于氮化硼來說，其可以達(dá)到在4納米尺度上保持強(qiáng)度。這樣得到的晶體結(jié)構(gòu)在極高的溫度下也仍然是穩(wěn)定的。
研究人員表示：“在我們制成的納米孿晶立方氮化硼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的熱穩(wěn)定，化學(xué)穩(wěn)定性和硬度的兩者兼得。其硬度甚至可以媲美金剛石，從而使其成為適合工業(yè)應(yīng)用的理想材料。”
田永軍表示，通過未來的進(jìn)一步研究，這種超硬度材料的價格將會與目前市面上出售的普通立方氮化硼材料相接近，其可能的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)械加工，打磨和切割等，還有科學(xué)儀器的制造。
當(dāng)然現(xiàn)在的問題在于，要想精確地測定一種材料的硬度，你需要制造一種硬度比它更高的材料，將其制成倒金字塔型，然后測試看看需要多大壓力才能將塔尖壓入待測材料。因此從這個角度上來說，要想精確測定此次科學(xué)家們合成的這種超硬度材料還另需時日。