Какие сверхтвердые материалы кроме алмаза вы знаете?

Как следует из названия, сверхтвердые материалы — это материалы с чрезвычайно высокой твердостью. Вообще говоря, твердость алмаза самая высокая, твердость по Моосу составляет 10, а твердость CBN немного ниже, чем у алмаза. Поэтому к сверхтвердым материалам обычно относят алмаз и CBN или композиты из этих двух материалов в качестве основных компонентов.

Твердость корунда, SiC, цементированного карбида и быстрорежущей стали, четырех видов твердых материалов, используемых в качестве «промышленных зубьев», намного ниже, чем у алмаза и эльбора. Поэтому сверхтвердые материалы также известны как самые твердые и острые «промышленные зубы» или «короли материалов».

1. Алмаз

Like other carbon materials, the main chemical element composition of diamonds is carbon. No matter it is a natural diamond or a man-made diamond, no matter what kind of diamond will contain more or less impurities. Diamond generally contains nitrogen impurities. According to the difference of nitrogen content in diamond crystal, diamond can be divided into two types (type I diamond and type II diamond).

В последние годы углеродные материалы представляют собой очень горячие материалы. XXI век также известен как «углеродный век». Углеродные материалы широко используются в различных областях из-за их превосходных свойств, особенно в развивающихся национальных стратегических отраслях, таких как графен и углеродные наноматериалы, углеродное волокно и его композиты, алмазные пленки на основе углерода и традиционные углеродные материалы (сажа, пористый углерод, графит, специальный графит и т. д.) имеют широкие перспективы применения в литиевых батареях, конденсаторах, накопителях энергии, фотогальванике, полупроводниках, фотоэлектрических дисплеях, связи 5g, датчиках, авиации общего назначения, транспорте будущего, высококлассном оборудовании и других областях.

2, сбн

Cubic boron nitride (CBN) is the second largest variety of superhard materials. The chemical structure formula of boron nitride is BN, which is composed of boron and nitrogen. Boron nitride has four different crystal structures, mainly hexagonal boron nitride (hBN), cubic boron nitride (CBN), rhombic boron nitride (RBN) and dense hexagonal boron nitride (WBN). The nitrogen and boron atoms in hBN and RBN are hybridized in SP2, while the nitrogen and boron atoms in CBN and WBN are hybridized in SP3.

Твердость CBN немного ниже, чем у алмаза, а цвет кристаллов зависит от типа и количества примесей. CBN обладает уникальными фотоэлектрическими характеристиками. Синтез крупногабаритного и высококачественного монокристалла CBN является неизбежным выбором для применения в функциональных устройствах. Однако большой размер кристалла CBN гораздо менее успешен, чем у алмаза. Это может быть связано с тем, что условия синтеза CBN с крупными частицами более жесткие, и его применение не нашло подходящей области.

Применение сверхтвердых материалов

1. Изделия из сверхтвердых материалов

Сверхтвердые материалы, изделия и инструменты из них нашли широкое применение в промышленности. Они не только решают проблемы, которые невозможно или трудно решить с помощью традиционных инструментов, но также значительно повышают эффективность традиционной обработки и значительно сокращают потребление и сброс отходов.

Несколько изделий и инструментов из сверхтвердых материалов (A. лезвие; B. шлифовальный круг; C. пильный диск; D. сверло)

К основным разновидностям изделий и инструментов из сверхтвердых материалов относятся пильные инструменты, абразивы (в том числе армированные абразивы, абразивы с покрытием и насыпные абразивы), режущий инструмент, сверлильный инструмент, отделочный инструмент, волочильные штампы, другие инструменты и различные функциональные детали.

2. Природные и искусственные алмазы

(1) Природный алмаз

Алмазы, извлеченные из природных алмазов, называются природными алмазами. Природные бриллианты яркие, великолепные, редкие и драгоценные. Они считаются сокровищами. Есть реклама, в которой говорится, что «бриллиант будет длиться вечно, вечный», хорошо известная китайским женщинам и детям.

Помимо использования в качестве ювелирных изделий, природный алмаз больше используется в промышленности. Промышленное использование алмаза уже давно заключается в использовании его особой высокой твердости. Алмазный нож для резки стекла напоминает нам о том, что алмаз используется для подготовки буровых долот для геологоразведки и добычи нефти и угля. Алмаз окисляется кислородом в разной степени при высокой температуре, особенно при хорошем сродстве с железом, поэтому он не подходит для обработки черных металлов.

(2) Искусственный алмаз

Artificial diamond, also known as laboratory synthetic diamond or cultivated diamond in the industry. Artificial diamonds with large particles or single crystals have been used to process synthetic diamond jewelry. Artificial diamonds are also genuine diamonds, with the same composition and structure as natural diamonds. The two can only be distinguished in a very special way. For example, under the cathodoluminescence instrument, the growth texture of the former is geometric, and the latter is annular. Since 2006, GIA and other jewelry institutions have started to provide identification services and issue certificates, mainly to prevent merchants from selling synthetic diamonds with lower prices as natural diamonds. In the past, researchers in the diamond industry have been looking for efficient synthetic methods of artificial diamonds, but there has been no breakthrough. The two main obstacles come from cost and production factors. After decades of research, the technology of synthesizing large diamond single crystals by ultra-high pressure and high temperature method under the condition of static catalyst has been mature. China has made rapid development in the technical development and application of synthetic diamond large single crystal synthesized by ultra-high pressure and high temperature method and synthetic diamond synthesized by microwave plasma CVD method. Synthetic diamond jewelry has been sold in the market and has begun to take shape.

3. Основные области применения CBN

CBN обладает уникальными преимуществами по сравнению с алмазом, такими как высокая термическая стабильность и химическая инертность по отношению к элементам группы железа.

В настоящее время CBN в основном используется в двух аспектах: во-первых, для производства абразивных инструментов, а во-вторых, для изготовления поликристаллического кубического нитрида бора в качестве инструментального материала. Таким образом, CBN уникален для обработки черных металлов, что обеспечивает новый инструмент для обработки твердых и прочных труднообрабатываемых материалов на основе железа.

Используется как абразивный материал. Его можно использовать не только для обработки материалов на основе железа, но и для обработки материалов из цветных металлов.

Используется как инструментальный материал. Поликристаллический кубический нитрид бора обычно используется для режущих инструментов. PCBN представляет собой микропорошок, приготовленный из монокристалла CBN. Его готовят путем добавления карбида титана, кобальта и других клеев, а затем спекания при высоком давлении и высокой температуре с помощью шестистороннего верхнего пресса. Особенно эффективен для обработки черных металлов и их сплавов, особенно подходит для высокоскоростной резки и сухой резки. Он выполняет точение вместо шлифования и фрезерование вместо шлифования, что значительно повышает эффективность производства.

Используется как функциональный материал. CBN с высокой теплопроводностью может применяться в фотоэлектрических функциональных устройствах.

Сверхтвердый материал представляет собой небольшую разновидность множества различных материалов, но это незаменимый материал, который может постепенно заменить некоторые другие материалы.