Самые твердые материалы: Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле — FEA.RU

Содержание

Самые твердые материалы в мире

Всем известно, что на настоящий момент алмаз является эталоном твёрдости, т.е. при определении твёрдости материала за основу берется показатель твёрдости алмаза. В нашей статье мы рассмотрим десять самых твёрдых материалов в мире и посмотрим насколько они тверды относительно алмаза. Материал считается сверхтвёрдым если его показатели находятся выше 40 ГПа. Нужно учесть, что твёрдость материала может колебаться в зависимости от внешних факторов, в частности от приложенной к нему нагрузки. Итак, представляем десять самых твёрдых материалов в мире.

10. Субоксид бора

Субоксид бора состоит из зёрен имеющих форму выпуклых двадцатигранников. Эти зёрна состоят, в свою очередь, из двадцати кристаллов-многогранников, гранями которого являются четыре треугольника. Субоксид бора имеет повышенную прочность в 45 ГПа.

9. Диборид рения

Диборид рения очень интересный материал. При малых нагрузках он ведет себя как сверхтвёрдый, имея прочность в 48 ГПа, а при нагрузке его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт вызывает бурные дискуссии у ученых всего мира относительно того стоит ли считать диборид рения сверхтвёрдым материалом.

8. Борид магния-алюминия

Борид магния-алюминия составляет собой сплав алюминия, магния и бора. Этот материал имеет невероятно низкие показатели трения скольжения. Это уникальное свойство могло бы стать настоящей находкой в производстве разнообразных механизмов, ведь детали из борида магния-алюминия способны работать без смазки. К сожалению, сплав невероятно дорог, что на данный момент закрывает ему дорогу к широкому применению. Твердость борид магния-алюминия – 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний

Соединение Бор-углерод-кремний обладает невероятной устойчивостью к высочайшим температурам и химическому воздействию. Твердость Бор-углерод-кремния – 70 ГПа.

6. Карбид бора

Карбид бора был открыт еще в 18 веке и начал использоваться почти сразу во многих отраслях промышленности. Его используют при обработке металлов и сплавов, при изготовлении химической посуды, а также в энергетике и электронике. Используется как основное вещество для пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа, а добавляя в него аргон в виде ионов, можно увеличить этот показатель до 72 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора

Нитрид углерода-бора является одним из представителей достижений современной химии, он был синтезирован сравнительно недавно Твердость нитрид углерода-бора – 76 ГПа.

4. Наноструктурированный кубонит

Наноструктурированный кубонит имеет и другие названия: кингсонгит, боразон или эльбор. Материал обладает показателями твёрдости близкими к алмазу и успешно применяется в промышленности при обработке различных металлов и сплавов. Твердость наноструктурированного кубонита – 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора

Структура кристаллов этого вещества имеет особую вюрцитную форму, она то и позволяет быть ему одним из лидеров по твёрдости. При приложении нагрузки связи между атомами в кристаллической решётке перераспределяются и твёрдость материала повышается почти на 75%! Твердость вюрцитного нитрида бора – 114 ГПа.

2. Лонсдейлит

Лонсдейлит по своей структуре очень похож на алмаз, ведь они оба являются аллотропными модификациями углерода. Лонсдейлит был обнаружен в воронке метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. По всей видимости от нагрузок, вызванных взрывом метеорите, графит превратился в лонсдейлит. При обнаружении лонсдейлит не продемонстрировал особых чемпионских показателей твёрдости, однако было доказано, что при отсутствии в нём примесей, он будет твёрже алмаза! Доказанный показатель твердости лонсдейлита – до 152 ГПа

1. Фуллерит

Пришло время рассмотреть самое твёрдое вещество в мире – фуллерит. Фуллерит – это кристалл, который состоит из молекул, а не из отдельных атомов. Благодаря этому фуллерит обладает феноменальной твердостью, он способен легко царапать алмаз, также как сталь царапает пластик! Твердость фуллерита – 310 ГПа.

Фуллерит

Мы привели список самых твёрдых материалов в мире на данный момент. Как видим, среди них достаточно веществ твёрже алмаза и ,возможно, нас ждут впереди ещё новые открытия, которые позволят получить материалы с ещё более высокими показателями твёрдости!

виды, классификация, характеристики, различные факты и особенности, химические и физические свойства

В своей деятельности человек использует различные качества веществ и материалов. И совсем не маловажным является их крепость и надежность. О самых твердых материалах в природе и созданных искусственно пойдет речь в этой статье.

Общепринятый эталон

Для определения прочности материала используется шкала Мооса – шкала оценки твердости материала по его реакции на царапание. Для обывателя самый твердый материал – это алмаз. Вы удивитесь, но этот минерал всего лишь где-то на 10-м месте среди самых твердых. В среднем материал считают сверхтвердым, если его показатели выше 40 ГПа. Кроме того, при выявлении самого твердого материала в мире следует учитывать и природу его происхождения. При этом крепость и прочность часто зависят от воздействия внешних факторов на него.

Самый твердый материал на Земле

В данном разделе обратим внимание на химические соединения с необычной кристаллической структурой, которые намного прочнее алмазов и вполне могут его поцарапать. Приведем топ-6 самых твердых материалов созданных человеком, начиная с наименее твердого.

Нитрид углерода – бора. Это достижение современной химии имеет показатель прочности 76 ГПа.
Графеновый аэрогель (аэрографен) – материал в 7 раз легче воздуха, восстанавливающий форму после 90 % сжатия. Удивительно прочный материал, способный к тому же впитать количество жидкости или даже масла в 900 раз больше собственного веса. Этот материал планируется использовать при разливах нефти.
Графен – уникальное изобретение и самый прочный материал во Вселенной. О нем ниже чуть подробнее.
Карбин – линейный полимер аллотропного углерода, из которого делают супертонкие (в 1 атом) и суперпрочные трубки. Долгое время никому не удавалось построить такую трубку длиною более чем 100 атомов. Но австрийским ученым из Венского Университета удалось преодолеть этот барьер. Кроме того, если раньше карбин синтезировался в малых количествах и был очень дорогой, то сегодня появилась возможность синтезировать его тоннами. Это открывает новые горизонты для космотехники и не только.
Эльбор (кингсонгит, кубонит, боразон) – это наноконструированное соединение, которое сегодня широко применяется в обработке металлов. Твердость – 108 ГПа.

Фуллерит – вот какой самый твердый материал на Земле, известный человеку сегодня. Его прочность в 310 ГПа обеспечивается тем, что он состоит не из отдельных атомов, а из молекул. Эти кристаллы с легкостью поцарапают алмаз, как нож масло.

Чудо рук человеческих

Графен – еще одно изобретение человечества на основе аллотропных модификаций углерода. С виду – тонкая пленка толщиной в один атом, но в 200 раз прочнее стали, обладающая исключительной гибкостью.

Именно о графене говорят, что, чтобы его проткнуть, на кончике карандаша должен стоять слон. При этом его электропроводность выше кремния компьютерных чипов в 100 раз. Очень скоро он покинет лаборатории и войдет в повседневную жизнь в виде солнечных панелей, сотовых телефонов и чипов современных компьютеров.

Два очень редких результата аномалий в природе

В природе встречаются очень редкие соединения, которые обладают невероятной прочностью.

Нитрид бора – вещество, кристаллы которого имеют специфическую вюрцитную форму. С приложением нагрузок соединения между атомами в кристаллической решетке перераспределяются, повышая прочность на 75 %. Показатель твердости – 114 ГПа. Образуется это вещество при вулканических извержениях, в природе его очень мало.
Лонсдейлит (на главном фото) – соединение аллотропного углерода. Материал был обнаружен в воронке метеорита, считается, что он образовался из графита под воздействием условий взрыва. Показатель твердости – 152 ГПа. В природе встречается редко.

Чудеса живой природы

Среди живых существ на нашей планете есть такие, у которых имеется что-то совершенно особенное.

Паутина Caerostris darwini. Нить, которую выделяет паук Дарвина, прочнее стали и тверже кевлара. Именно эта паутина была взята учеными НАСА на вооружение при разработке космических защитных костюмов.
Зубы моллюска Морское блюдечко – их волокнистая структура сегодня изучается бионикой. Они настолько прочные, что позволяют моллюску отодрать водоросли, вросшие в камень.

Железная береза

Еще одно чудо природы – береза Шмидта. Ее древесина – самый твердый природный материал биологического происхождения. Растет она на Дальнем Востоке в заповеднике Кедровая Падь и внесена в Красную Книгу. Прочность сравнима с железом и чугуном. Но при этом не подвержена коррозии и гниению.

Повсеместному использованию древесины березы Шмидта, которую не пробивают даже пули, препятствует ее исключительная редкость.

Самый твердый из металлов

Это металл бело-голубого цвета — хром. Но его прочность зависит от его чистоты. В природе его содержится 0,02 %, что совсем не так мало. Добывают его из силикатных горных пород. Много хрома содержат и падающие на Землю метеориты.

Он коррозионностойкий, жаропрочный и тугоплавкий. Хром входит в состав многих сплавов (хромистая сталь, нихром), которые широко используются в промышленности и в антикоррозийных декоративных покрытиях.

Вместе прочнее

Один металл – это хорошо, но в некоторых сочетаниях возможно придание сплаву удивительных свойств.

Сверхпрочный сплав титана и золота – единственный крепкий материал, который оказался биосовместимым с живыми тканями. Сплав beta-Ti3Au настолько прочный, что его невозможно измельчить в ступке. Уже сегодня ясно, что это будущее различных имплантатов, искусственных суставов и костей. Кроме того, он может быть применен в буровом производстве, изготовлении спортивного снаряжения и во многих других областях нашей жизни.

Подобными свойствами может обладать и сплав палладия, серебра и некоторых металлоидов. Над этим проектом сегодня работают ученые института Калтека.

Будущее по 20 долларов за моток

Какой самый твердый материал уже сегодня может купить любой обыватель? Всего за 20 долларов можно купить 6 метров ленты Braeön. С 2017 года она поступила в продажу от производителя Дастина Маквильямса. Химический состав и способ производства хранятся в строгом секрете, но качества ее поражают.

Лентой можно скрепить абсолютно все. Для этого ее необходимо обмотать вокруг скрепляемых деталей, разогреть обычной зажигалкой, придать пластичному составу нужную форму и все. После остывания стык выдержит нагрузку в 1 тонну.

И твердый, и мягкий

В 2017 году появилась информация о создании удивительного материала – самого твердого и самого мягкого одновременно. Этот метаматериал изобрели ученые из Университета Мичиган. Им удалось научиться управлять структурой материала и заставлять его проявлять различные свойства.

Например, при использовании его для создания автомобилей при движении кузов будет обладать жесткостью, а при столкновении – мягкостью. Кузов абсорбирует энергию соприкосновения и защитит пассажира.

Самые твердые материалы на планете

3d Структура графеновой трубки

Графен — самый твердый искусственный материал, в 200 раз прочнее стали.
Алмазы — самый прочный материал, который мы можем найти в природе, измеряемый от 70 до 150 ГПа по тесту на твердость по Виккерсу.
Кевлар — это материал, который часто использовался для замены классических стальных дисков в гоночных автомобилях, потому что он намного легче и намного прочнее.

Люди нашли в природе множество различных ресурсов, которые затем использовались для создания укрытий, инструментов, транспортных средств, ракет или украшений. Продукты, которые вы покупаете, особенно если они попадают в категорию «технических», часто оцениваются по тому, насколько хорошо они сделаны, насколько они прочны и насколько долгосрочное использование влияет на физическую целостность предметов. Если вы хотите что-то упругое, вам нужен твердый материал, и вот что придумали люди.

Что такое твердые материалы?

Прежде всего, давайте быстро объясним, что мы обсуждаем, когда говорим о твердости конкретного материала.

Проще говоря, мы имеем в виду прочность конкретного материала, чтобы выдерживать различные степени внешней силы, которая нагружает материал. Сверхтвердые материалы измеряются по шкале, известной как испытание на твердость по Виккерсу. Единица, которая выражает, какое давление может выдержать предмет, прежде чем он сломается, называется гигапаскалем (ГПа). Например, самый прочный природный материал, который мы знаем, — это алмазы, и их давление составляет от 70 до 150 ГПа. Все, что превышает 40 ГПа, считается сверхтвердым материалом.

1.

Графен

Молекулярная сетка графена.

Первая запись в нашем списке — это материал, который, по прогнозам, окажет огромное влияние на аэрокосмическую промышленность и производство автомобилей. Однако с момента его открытия в 2010 году он еще не использовался вне экспериментальных приложений, в основном в космических испытаниях, которые показали чрезвычайно многообещающие результаты. Он в 200 раз мощнее стали и в 1000 раз легче бумаги. Графен состоит всего из одного слоя атомов углерода, расположенных в форме треугольной решетки. Он чрезвычайно гибкий, и то, как его атомы углерода связаны друг с другом, делает его не только чрезвычайно прочным, но и очень проводящим электричество и тепло. По сравнению с медью ленты, состоящие из связанных листов графена, имеют 10 процентов массы и вдвое большую теплопроводность. Хотя инсайдеры уверены, что в ближайшие несколько лет мы, наконец, увидим автомобили, самолеты и многие электронные устройства, использующие технологию на основе графена, по-прежнему остается проблема производства ее в больших количествах.

2. Углеродное волокно

Композит из черного углеродного волокна.

Углеродное волокно — это форма волокна, состоящая в основном из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника. Эти волокна имеют диаметр около 5-10 микрометров. Основное различие между графеном и углеродным волокном заключается в том, что размер графена представляет собой толщину слоя одного атома углерода гораздо меньшего диаметра. Особенности углеродного волокна, которые делают его отличным выбором для изготовления военной техники, ракет и деталей спортивных автомобилей, — это высокая жесткость и очень малый вес. Углеродное волокно также может выдерживать очень высокие температуры и обладает высокой устойчивостью к ряду различных абразивных химикатов.

3.

Кевлар

Кевлар в пять раз мощнее стали, когда речь идет о напряжении, которое он может выдержать.

Еще одним твердым материалом, который был адаптирован в автомобильной и военной промышленности, был кевлар. Кевлар в пять раз мощнее стали, когда речь идет о напряжении, которое он может выдержать. Поэтому из него до сих пор делают бронежилеты: он очень твердый, да еще сверхлегкий материал.

4.

Алмазы

Алмазы — самый прочный материал, который мы можем найти в природе.

Вы, наверное, ожидали увидеть алмазы во главе этого списка, но искусственные материалы намного прочнее самого твердого минерала, который мы можем найти на Земле. Алмазы до сих пор, несмотря на редкость и очень высокую цену, до сих пор используются во многих отраслях промышленности. Некоторые особые сорта голубых алмазов особенно хорошо действуют как изоляторы и электрические (полу)проводники.

5.

Стекловолокно

Композитное сырье из стекловолокна.

Этот синтетический материал был впервые создан в 1930-х годах и очень похож на углеродное волокно. Однако его производство намного дешевле, чем углеродное волокно, поэтому его часто использовали в качестве метода теплоизоляции здания.

Джессика Диллинджер 7 июля 2021 в науке

Какие самые твердые металлы в мире?

Металл — это род, описывающий ряд различных материалов, которые обычно являются блестящими, электро- и теплопроводными и, прежде всего, твердыми. Металлы чрезвычайно разнообразны. Фактически, более 75 процентов из 118 элементов в периодической таблице состоят из металлов. Поэтому, естественно, у многих возникает вопрос: «Какие самые твердые металлы в мире?» В этой статье мы рассмотрим множество различных видов металлов, независимо от того, являются ли они элементами, соединениями или сплавами, чтобы выяснить, какие металлы самые прочные и твердые. Наш список основан на шкале Бринелля, которая измеряет твердость материалов при вдавливании. Важно отметить, что для одного металла редко существует единое значение, поскольку они имеют тенденцию меняться в зависимости от того, из каких сплавов и соединений они состоят.

1. Вольфрам (1960–2450 МПа)

Вольфрам — один из самых твердых металлов, встречающихся в природе. Этот редкий химический элемент, также известный как вольфрам, обладает высокой плотностью (19,25 г/см3), а также высокой температурой плавления (3422 °C/6192 °F). В его редкой форме с вольфрамом трудно работать из-за его хрупкости, которая может измениться при очищении. Вольфрам часто используется для создания твердых сплавов, таких как быстрорежущая сталь, для повышения защиты от истирания, а также для улучшения электропроводности.

2. Иридий (1670 МПа)

Подобно вольфраму, иридий является химическим элементом, обладающим высокой плотностью и устойчивостью к высоким температурам. Иридий относится к металлам платиновой группы, внешне напоминающим платину. Однако с иридием трудно работать. Поскольку иридий очень твердый, он также довольно хрупок, что только усугубляется его очень высокой температурой плавления, превышающей 2000°C. Иридий считается одним из самых редких элементов на поверхности Земли, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

3. Сталь

Сталь представляет собой легированный металл, состоящий из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Из-за множества вариантов и уровней качества стали, которые могут быть приняты, не существует единого значения твердости. Существует множество различных методов отпуска стали для улучшения защиты стали от износа, термостойкости и защиты от истирания. Например, Borocoat оптимизирует твердость стали, не делая ее хрупкой. Узнайте больше о борировании и Borocoat.

4. Осмий (3920–4000 МПа)

Осмий относится к металлам платиновой группы и имеет высокую плотность. Фактически, это самый плотный природный элемент на Земле с плотностью 22,59 г/см3. По этой же причине осмий не плавится до 3033 °C, что затрудняет работу с металлом. Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), его можно использовать во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность.

5. Хром (687-6500 МПа)

Хром — элемент, часто встречающийся в сплавах, таких как нержавеющая сталь. По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость к царапинам, он находится в числе лучших. Хром ценится за его высокую коррозионную стойкость, а также за его твердость. Поскольку с ним легче обращаться, а также он более распространен, чем металлы платиновой группы, хром является популярным элементом, используемым в сплавах.