什么是超硬材料？分类有哪些？

2022-10-18 14:44:55 作者：2200 2536

1.超硬材料

18世纪20年代，法国科学家R.A.F. Reaumur首次提出了“硬度”的概念。宏观上，硬度被定义为表征材料抵抗被另一种材料所施加局部力而产生形变或者划伤的能力。实验中，则根据所采用的压头、凹陷深度和形状的差异而划分出不同的硬度表征体系，包括维氏硬度、布氏硬度、努氏硬度等等。

超硬材料是指维氏硬度(Vickers hardness，Hv)超过 40GPa的一类材料，其硬度远高于其他材料，同时还具有诸如高强度、高抗氧化性、高抗腐蚀、高耐摩擦磨损和耐腐蚀等其它材料无法比拟的优点。超硬材料广泛应用于石油开采、刀具加工、航空航天、机械、电子科技、国防事业、核安全工业等领域，发展空间十分广阔。

超硬材料

2.超硬材料分类

超硬材料依据组成元素可划分为两大类：

第一类超硬材料指的是由轻元素形成的单质或者由轻元素组成的化合物。硼、碳、氮、氧，这些元素的原子序数较小，原子质量较轻，因此将这些元素统称为轻元素。这些元素的成键类型较为复杂，例如在硼单质中会存在有多中心多电子键。同时这些元素成键的键长相对较短，一般来说，由这些轻元素形成的化合物会出现具有高密度键、较好联通性特点的三维空间网状结构(Miller E D，1997)。实际上金刚石就是具有这种特性的材料，众所周知金刚石材料的硬度值极高，对于有相同结构特性的材料极有可能具有与金刚石材料相近的性质，对于这一点已经在另外一种超硬材料——立方氮化硼材料中得到了验证。在这些由轻元素组成的单质或化合物之中，根据电子结构相似性的猜想，具有与金刚石等电子的化合物将最有可能成为与金刚石相媲美的超硬材料。

第二类超硬材料指的是高密度的价电子和含有强共价键的混合体-过渡族轻元素体系过渡族金属，如 Re、W、Os、Ir 等具有较大的价电子密度，而材料的抗压缩能力与价电子密度的高低有着很大的关系。含有过渡族金属的材料的体弹模量相对较大，这个是影响硬度的指标之一。此外，影响材料硬度还有一个指标——剪切模量，即反映材料抗断裂韧性的指标。

目前，实验室成功合成的第二类超硬材料以过渡金属硼化物、氮化物和碳化物为主。

3.常见超硬材料

最著名的超硬材料是金刚石(diamond)和立方氮化硼(c-BN)。

金刚石是发现的第一个超硬材料(6000 年前)，并且在1955年首次在高温和高压(HPHT)条件下合成出来。普遍认为金刚石是硬度最高的，最坚硬的和最不可压缩的物质。这些卓越的属性来源于其纯共价键和立方的晶体结构，其中每个碳原子和四个邻近原子相连，从而组成 sp3杂化。金刚石单晶是脆性的，容易沿着滑移面断裂，并显示出显著的硬度各向异性，范围从 60 变化至 120GPa。与金属结合的金刚石相比单相金刚石具有较高的断裂韧性且具有各向同性，大约处于中等硬度60-80 GPa的范围内。然而，金刚石具有一定的缺陷：差的热稳定性和与铁合金的反应，限制了其在含铁材料的加工工业的应用。c-BN是金刚石之后第二硬的超硬材料。c-BN 相比金刚石的主要优点在于它可以用于有色金属材料的加工。

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什么是超材料?类型及应用介绍