Самый крепкий материал на земле: Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле — FEA.RU | CompMechLab

Самые прочные металлы на Земле

Первое качество, с которым ассоциируется у нас металл, это прочность. На самом деле прочность определяется несколькими свойствами, учитывая которые именно сталь и ее сплавы находятся в списке самых прочных металлов.

Что же такое прочность? Это способность материала выдерживать внешние нагрузки, при этом не разрушаясь. При оценке прочности металла учитывается много параметров и качеств: насколько хорошо металл сопротивляется разрыву, как он противостоит сжатию, каков порог перехода от упругого к пластическому состоянию, когда деформация материала становится необратимой, какова способность материала сопротивляться распространению трещин и т.п.

Прочные сплавы и природные металлы

Сплавы представляют собой комбинации разных металлов. Потребность получить самые разные качественные характеристики металлов, среди которых и прочность, привела к появлению различных сплавов. Одним из важных в этом смысле сплавов является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода. Итак, какие же металлы принято считать самыми прочными на Земле?

Поскольку для определения прочности металла необходимо учесть очень много факторов, трудно однозначным образом упорядочить металлы от самого «крепкого» до самого «слабого». В зависимости от того, какое свойство считается наиболее важным в каждом конкретном случае, и будет складываться расстановка сил прочности среди металлов.

Сталь и ее сплавы

Сталь — это прочный сплав железа и углерода, с добавками других элементов, таких как кремний, марганец, ванадий, ниобий и пр. Благодаря различным системам легирования стали можно получать совершенно разный комплекс свойств новых сплавов.

Так, высокоуглеродистая сталь — это сплав железа с высоким содержанием углерода — получается прочной, относительно дешевой, долговечной, она хорошо поддается обработке. Из недостатков стоит отметить низкую прокаливаемость и низкую теплостойкость, что делает углеродистую сталь уязвимой в агрессивной среде.

Сферы применения: из углеродистой стали изготавливают различные инструменты, детали машин и сложных механизмов, элементы металлоконструкций. Важным условием применения таких изделий является неагрессивная среда.

Сплав стали, железа и никеля – один из наиболее прочных сплавов. Существует несколько его разновидностей, но в целом легирование углеродистой стали никелем увеличивает предел текучести до 1420 МПа и при этом показатель предела прочности на разрыв доходит до 1460 МПа.

Сферы применения: сплавы на никелевой основе используют в конструкциях некоторых типов мощных атомных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней.

Нержавеющая сталь – коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и все виды стали, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и имеет средний балл по шкале Мооса.

Сферы применения: благодаря своим антикоррозийным свойствам нержавеющую сталь широко применяют в самых разных областях – нефтехимической промышленности, машиностроении, строительстве, электроэнергетике, кораблестроении, пищевой промышленности и для изготовления бытовых приборов.

Особо твердые сплавы

Сплавы на основе карбидов вольфрама, титана, тантала обладают твердостью, которой позавидует любой молот Тора.

Титан – это наиболее растиражированный в средствах массовой информации и кинематографе природный металл, который принято ассоциировать с суперпрочностью. Его удельная прочность почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей. Он обладает самым высоким отношением прочности на разрыв к плотности из всех металлов. По этому показателю он обошел вольфрам, вот только по шкале твердости Мооса титан ему уступает. Тем не менее, титановые сплавы прочны и легки.

Сферы применения: титан и его сплавы часто используются в аэрокосмической промышленности. Из него делают элементы обшивки космических кораблей, топливные баки, детали реактивных двигателей. Активно используют его и в морском судостроении, строительстве трубопроводов для агрессивных сред и в качестве конструкционного материала.

Вольфрам с его самой высокой прочностью на растяжение среди всех встречающихся в природе металлов часто комбинируют со сталью и другими металлами для создания еще более прочных сплавов. К недостаткам вольфрама можно отнести его хрупкость и способность к разрушению при ударе.

Сферы применения: вольфрам применяют в металлургии для производства легированных сталей и различных сплавов, в электротехнической индустрии для изготовления элементов осветительных приборов, в машино- и авиастроении, в космической отрасли и химпроме. Сплав вольфрама и углерода (карбид вольфрама) используют для производства инструментов с режущими краями, таких как ножи и дисковые пилы, а также износостойких рабочих элементов горношахтного оборудования и прокатных валков.

Тантал обладает сразу тремя достоинствами – прочностью, плотностью и устойчивостью к коррозии. Он состоит в группе тугоплавких металлов, как и выше описанный вольфрам.

Сферы применения: тантал используется в производстве электроники и сверхмощных конденсаторов для персональных компьютеров, смартфонов, камер и для электронных устройств в автомобилях.

Инновационные сплавы

Существует ряд сплавов, которые появились совсем недавно, но уже успели завоевать признание благодаря своим «сверхкачествам» и активно используются в аэрокосмической сфере и медицине.

Алюминид титана – сплав титана и алюминия, который выдерживает высокие температуры и обладает антикоррозийными свойствами, но при этом он довольно хрупкий и недостаточно пластичный. Тем не менее, он нашел свое применение в производстве специальных защитных покрытий.

Сплав титана с золотом – еще один уникальный материал, который был разработан несколько лет назад группой ученых из университетов США. Основная задача, которая стояла перед учеными, создать материал крепче титана, который можно было бы применять в медицине для производства протезов, совместимых с биотканью. Дело в том, что титановые протезы, несмотря на свою прочность, изнашиваются относительно быстро, их приходится менять каждые 10 лет. А вот сплав титана с золотом оказался вчетверо более прочным, чем те сплавы, что сейчас используются в производстве протезов.

Самые прочные материалы в мире, известные человеку (ТОП-19)

Содержание

1. Стекловолокно
2. Стекло из микролегированного палладия
3. Титановые сплавы
4. Карбид вольфрама
5. Лонсдейлит
6. Мартенситностареющая сталь
7. Вектран
8. Кевлар
9. Паучий шёлк
10. Карбид кремния
11. Patella vulgata
12. Вюрцит борная нанотрубка
13. Buckypaper
14. Зилон (Zylon)
15. Углеродное волокно
16. Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Dyneema)
17. Алмаз
18. Углеродные нанотрубки
19. Графен
20. Подведём итог

Для непрофессионала прочность и твёрдость — это в основном одно и то же, но для инженера по материалам эти два понятия абсолютно разные. Прочность любого материала указывает на его устойчивость к деформации, а твёрдость обозначает его способность сопротивляться царапинам в целом. Вы знаете, какой самый прочный материал на Земле? Что ж, если ответ отрицательный, вы движетесь в правильном направлении, так как в нашем обзоре на thebiggest.ru представлены самые прочные материалы, известные человеку.

Но прочность — это довольно широкое понятие, под которым скрывается множество свойств и допущений. Например, материал может быть прочным только в одном направлении, а в других хрупким. Поэтому наш список нельзя считать полностью объективным.

19

Стекловолокно

В 1932 году Рассел Слейтер создал новый прочный материал и использовал его в качестве теплоизоляции для зданий.

Стекловолокно имеет сопоставимые механические свойства, как полимеры и углеродное волокно. Несмотря на то, что стекловолокно не так прочно, как углеродное, оно намного дешевле и менее хрупко при использовании в различных композитах.

18

Стекло из микролегированного палладия

В 2011 году исследователи материалов из Калифорнийского технологического института совместно с лабораторией Беркли разработали новый тип металлического стекла с широким спектром свойств, которое намного прочнее стали.

Как следует из названия, это металлическое стекло изготовлено из палладия — металла с высоким коэффициентом жёсткости. Палладий снижает хрупкость стекла, но увеличивает его прочность.

17

Титановые сплавы

Такие сплавы чрезвычайно лёгкие и обладают высокой стойкостью к коррозии. Из-за этих свойств сплавы широко используются в кораблестроении.

При всех достоинствах титановых сплавов, они очень дорогие, а потому применение сильно ограничено в гражданском производстве. В основном материал используют в производстве военных судов и ледоколов.

Читайте также: Самые большие ледоколы в мире.

16

Карбид вольфрама

Соединение карбида вольфрама состоит из равных частей атомов углерода и вольфрама. Он в основном используется для создания тяжёлых промышленных режущих инструментов и пуль большого калибра.

15

Лонсдейлит

Автор фото: Hiroaki Ohfuji et al., CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Это природный минерал, образующийся при падении на Землю метеоритов, содержащих графит. Во время удара о поверхность вырабатывается тепло, которое превращает графит в алмаз под высоким давлением. При таком превращении сохраняется гексагональная кристаллическая решётка графита.

Лонсдейлит был назван в честь прославленного кристаллографа, родом из Ирландии, Кэтлина Лонсдейла. В прессе часто сообщалось, что лонсдейлит на 58% твёрже алмаза. Но это оказалось мифом. По шкале Мооса твёрдость минерала составляет 7–8 единиц.

14

Мартенситностареющая сталь

Это особая разновидность сверхвысокопрочных сталей, прочность которых определяется интерметаллическими соединениями, а не углеродом. Такие стали известны своей прочностью и твёрдостью, не теряя пластичности.

Одним из основных элементов, используемых в мартенситностареющей стали, является 25-процентная массовая доля никеля. Его лучшее соотношение веса и прочности, чем у большинства других сталей, позволяет широко использовать мартенсит в ракетах и обшивках ракет.

13

Вектран

Производится только японской корпорацией «Kuraray», а представляет собой химически стабильный полиэстер с высокой прочностью и термостойкостью.

В основном используются для закрепления электрических кабелей, канатов, а также в качестве одного из композитных материалов для высококлассных велосипедных шин. Есть и недостаток. Имея высокую прочность, материал легко трескается.

12

Кевлар

Впервые был использован в 1970-х годах не в военной технике, а в качестве замены стали в гоночных шинах. Материал получил широкое применение в промышленности, так как он в 5 раз прочнее стали.

Сейчас кевлар широко применяется в производстве велосипедных шин, парусов для гоночных яхт, пуленепробиваемых жилетов. Получил широкое применение в аэрокосмической отрасли.

11

Паучий шёлк

Эти произведения искусства паука выступают одним из самых твёрдых материалов, встречающихся в природе.

Прочность паучьего шёлка зависит от вида и от ряда других внешних факторов, таких как температура и влажность, во время тестирования. Но при подходящих условиях эта нить в 10 раз прочнее кевлара на растяжение.

Это интересно: Если паучья нить была бы длиной 40 000 километров, что равно длине окружности экватора, она бы весила около 500 граммов.

10

Карбид кремния

На фото: Минерал муссанит, который является природной разновидностью карбида кремния.

Этот материал составляет основу брони многих боевых танков. Он обладает высокой твердостью и прочностью, а также очень устойчив к радиации и химическим соединениям.

9

Patella vulgata

Этот вид морских улиток, широко известный как «европейский блюдец», в основном встречается в Западной Европе. Их зубы — один из самых прочных материалов, обнаруженных в живой природе.

Исследование 2015 года, опубликованное в журнале «Royal Society Journal», показало, что зуб европейского моллюска может быть прочнее, чем паучий шёлк, который официально является самым прочным природным материалом на Земле.

Читайте также: Самые большие виды улиток в мире.

8

Вюрцит борная нанотрубка

Вюрцит нитрит бора — одно из самых редких веществ в мире. Они либо обнаруживаются естественным путём, либо синтезируются вручную. Материал назвали в честь прославленного французского химика Шарля Вюрца.

Различные симуляции показали, что борные нанотрубки из вюрцита могут выдерживать на 18% большее напряжение, чем алмаз. В природе они образуются во время извержений вулканов, под воздействием высоких температур и давления.

7

Buckypaper

Уникальный материал был создан американскими и бразильскими учёными. Сделан он из углеродных нанотрубок. Считается, что этот материал примерно в 50 000 раз тоньше, чем средний человеческий волос, и в 500 раз прочнее стали.

Ещё одна интересная характеристика Buckypaper в том, что она может рассеивать тепло, как латунь или сталь, и проводить электричество, как медь или кремний.

6

Зилон (Zylon)

Зилон специально разработан американским независимым институтом «SRI International» как особая разновидность термореактивного жидкокристаллического полиоксазола. Он в 1,6 раза прочнее, чем кевлар.

Zylon используется в ряде областей, где требуется очень высокая прочность и отличная термическая стабильность. Теннисные ракетки, сноуборды — вот некоторые из его известных применений.

5

Углеродное волокно

Диаметр таких волокон равен 5–10 микрометров и состоят они в основном из атомов углерода. У таких волокон есть ряд преимуществ перед сталью и сплавами.

У этих волокон высокая жёсткость, высокая прочность на разрыв, малый вес и высокая химическая стойкость. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической, военной отраслях. Широко используют их в производстве спортивного снаряжения.

4

Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Dyneema)

Dyneema — это прочное и сверхлёгкое полиэтиленовое волокно, которое в основном используется в качестве композитных пластин для создания бронированных автомобилей. Оно легче воды, а останавливает пули и в 15 лучше стали.

Также используется для изготовления альпинистского снаряжения, рыболовных верёвок, тетивы для лука. Он имеет высокий предел текучести 2,4 ГПа и низкий удельный вес 0,97 г/см³.

3

Алмаз

Всем читателям thebiggest.ru известно, что алмазы — самый твёрдый материал природы, если использовать для измерения шкалу Мооса. Сделать царапину на алмазе получится, если только использовать другой алмаз.

Такие свойства алмаза человек стал применять в промышленности, в качестве изоляторов и полупроводников. А алмазная крошка просто незаменима при резке высокотвёрдых материалов.

Читайте также: ТОП-10 самых больших алмазов в мире.

2

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки, как алмаз и графит, являются производным аллотропов углерода в цилиндрической наноструктуре. Исключительная прочность и меньший вес являются причиной его ценности для электронной промышленности и нанотехнологий.

Кроме того, благодаря своей превосходной теплопроводности, электрическим и механическим свойствам углеродные нанотрубки являются основой многих отраслей промышленности.

1

Графен

Графен, пожалуй, самый прочный материал, известный людям. В нём один слой углерода, расположенный в треугольной решётке. Является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок.

Хотя графен производится в небольших количествах уже более века, первое изолированное открытие материала было сделано К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 году. Оба за свой вклад в развитие науки получили Нобелевскую премию в области физики.

Подведём итог

Подытоживая подборку уникальных материалов, отметим, что прочность любого материала измеряется его пределом прочности на разрыв, то есть сопротивлением любого материала перед разрушением под постоянным давлением. Сейчас в большинстве случаев прочность измеряют методом конечных элементов, который является самым эффективным.

Редакция нашего сайта TheBiggest.ru просит вас написать в комментариях какие ещё прочные материалы вы знаете.

самые прочные и твердые материалы, известные науке

Окружающий нас мир таит в себе еще множество загадок, но даже давно известные ученым явления и вещества не перестают удивлять и восторгать. Мы любуемся яркими красками, наслаждаемся вкусами и используем свойства всевозможных веществ, делающих нашу жизнь комфортнее, безопаснее и приятнее. В поисках самых надежных и крепких материалов человек совершил немало восторгающих открытий, и перед вами подборка как раз из 25 таких уникальных соединений!

25. Алмазы

Фото: pixabay

Об этом точно знают если не все, то почти все. Алмазы – это не только одни из самых почитаемых драгоценных камней, но и один из самых твердых минералов на Земле. По шкале Мооса (шкала твёрдости, в которой оценка дается по реакции минерала на царапание) алмаз числится на 10 строчке. Всего в шкале 10 позиций, и 10-ая – последняя и самая твердая степень. Алмазы такие твердые, что поцарапать их можно разве что другими алмазами.

24. Ловчие сети паука вида Caerostris darwini

Фото: pixabay

В это сложно поверить, но сеть паука Caerostris darwini (или паук Дарвина) крепче стали и тверже кевлара. Эту паутину признали самым твердым биологическим материалом в мире, хотя сейчас у нее уже появился потенциальный конкурент, но данные еще не подтверждены. Паучье волокно проверили на такие характеристики, как разрушающая деформация, ударная вязкость, предел прочности и модуль Юнга (свойство материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации), и по всем этим показателям паутина проявила себя удивительнейшим образом. Вдобавок ловчая сеть паука Дарвина невероятно легкая. Например, если волокном Caerostris darwini обернуть нашу планету, вес такой длинной нити составит всего 500 граммов. Таких длинных сетей не существует, но теоретические подсчеты просто поражают!

23. Аэрографит

Фото: BrokenSphere

Эта синтетическая пена – один из самых легких волокнистых материалов в мире, и она представляет собой сеть углеродных трубочек диаметром всего в несколько микронов. Аэрографит в 75 раз легче пенопласта, но при этом намного прочнее и пластичнее. Его можно сжать до размеров, в 30 раз меньших первоначального вида, без какого-либо вреда для его чрезвычайно эластичной структуры. Благодаря этому свойству аэрографитная пена может выдержать нагрузку, в 40 000 раз превышающую ее собственный вес.

22. Палладиевое металлическое стекло

Фото: pixabay

Команда ученых их Калифорнийского технического института и Лаборатории Беркли (California Institute of Technology, Berkeley Lab) разработала новый вид металлического стекла, совместивший в себе практически идеальную комбинацию прочности и пластичности. Причина уникальности нового материала кроется в том, что его химическая структура успешно скрадывает хрупкость существующих стеклообразных материалов и при этом сохраняет высокий порог выносливости, что в итоге значительно увеличивает усталостную прочность этой синтетической структуры.

21. Карбид вольфрама

Фото: pixabay

Карбид вольфрама – это невероятно твердый материал, обладающий высокой износостойкостью. В определенных условиях это соединение считается очень хрупким, но под большой нагрузкой оно показывает уникальные пластические свойства, проявляющиеся в виде полос скольжения. Благодаря всем этим качествам карбид вольфрама используется в изготовлении бронебойных наконечников и различного оборудования, включая всевозможные резцы, абразивные диски, свёрла, фрезы, долота для бурения и другие режущие инструменты.

20. Карбид кремния

Фото: Tiia Monto

Карбид кремния – один из основных материалов, используемых для производства боевых танков. Это соединение известно своей низкой стоимостью, выдающейся тугоплавкостью и высокой твердостью, и поэтому оно часто используется в изготовлении оборудования или снаряжения, которое должно отражать пули, разрезать или шлифовать другие прочные материалы. Из карбида кремния получаются отличные абразивы, полупроводники и даже вставки в ювелирные украшения, имитирующие алмазы.

19. Кубический нитрид бора

Фото: wikimedia commons

Кубический нитрид бора – это сверхтвердый материал, по своей твердости схожий с алмазом, но обладающий и рядом отличительных преимуществ – высокой температурной устойчивости и химической стойкости. Кубический нитрид бора не растворяется в железе и никеле даже под воздействием высоких температур, в то время как алмаз в таких же условиях вступает в химические реакции достаточно быстро. На деле это выгодно для его использования в промышленных шлифовальных инструментах.

18. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), марка волокон «Дайнима» (Dyneema)

Фото: Justsail

Полиэтилен с высоким модулем упругости обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой вязкостью разрушения (низкотемпературная надёжность). Сегодня его считают самым прочным волокнистым веществом в мире. Самое удивительное в этом полиэтилене то, что он легче воды и одновременно может останавливать пули! Тросы и канаты из волокон Дайнима не тонут в воде, не нуждаются в смазке и не меняют свои свойства при намокании, что очень актуально для судостроения.

17. Титановые сплавы

Фото: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Титановые сплавы невероятно пластичные и демонстрируют удивительную прочность во время растяжения. Вдобавок они обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, что делает их крайне полезными в таких областях, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

16. Сплав Liquidmetal

Фото: pixabay

Разработанный в 2003 году в Калифорнийском техническом институте (California Institute of Technology), этот материал славится своей силой и прочностью. Название соединения ассоциируется с чем-то хрупким и жидким, но при комнатной температуре оно на самом деле необычайно твердое, износостойкое, не боится коррозии и при нагревании трансформируется, как термопласты. Основными сферами применения пока что являются изготовление часов, клюшек для гольфа и покрытий для мобильных телефонов (Vertu, iPhone).

15. Наноцеллюлоза

Фото: pixabay

Наноцеллюлозу выделяют из древесного волокна, и она представляет собой новый вид деревянного материала, который прочнее даже стали! Вдобавок наноцеллюлоза еще и дешевле. Инновация имеет большой потенциал и в будущем может составить серьезную конкуренцию стеклу и углеволокну. Разработчики считают, что этот материал вскоре будет пользоваться большим спросом в производстве армейской брони, супергибких экранов, фильтров, гибких батареек, абсорбирующих аэрогелей и биотоплива.

14. Зубы улиток вида «морское блюдечко»

Фото: pixabay

Ранее мы уже рассказали вам о ловчей сети паука Дарвина, которую некогда признали самым прочным биологическим материалом на планете. Однако недавнее исследование показало, что именно зубы морского блюдечка – наиболее прочная из известных науке биологических субстанций. Да-да, эти зубки прочнее паутины Caerostris darwini. И это неудивительно, ведь крошечные морские создания питаются водорослями, растущими на поверхности суровых скал, и чтобы отделить пищу от горной породы, этим зверькам приходится потрудиться. Ученые полагают, что в будущем мы сможем использовать пример волокнистой структуры зубов морских блюдечек в машиностроительной промышленности и начнем строить автомобили, лодки и даже воздушные суда повышенной прочности, вдохновившись примером простых улиток.

13. Мартенситно-стареющая сталь

Фото: pixabay

Мартенситно-стареющая сталь – это высокопрочный и высоколегированный сплав, обладающий превосходной пластичностью и вязкостью. Материал широко распространен в ракетостроении и используется для изготовления всевозможных инструментов.

12. Осмий

Фото: Periodictableru / www.periodictable.ru

Осмий – невероятно плотный элемент, и благодаря своей твердости и высокой температуре плавления он с трудом поддается механической обработке. Именно поэтому осмий используют там, где долговечность и прочность ценятся больше всего. Сплавы с осмием встречаются в электрических контактах, ракетостроении, военных снарядах, хирургических имплантатах и применяются еще во многих других областях.

11. Кевлар

Фото: wikimedia commons

Кевлар – это высокопрочное волокно, которое можно встретить в автомобильных шинах, тормозных колодках, кабелях, протезно-ортопедических изделиях, бронежилетах, тканях защитной одежды, судостроении и в деталях беспилотных летательных аппаратов. Материал стал практически синонимом прочности и представляет собой вид пластика с невероятно высокой прочностью и эластичностью. Предел прочности кевлара в 8 раз выше, чем у стального провода, а плавиться он начинает при температуре в 450℃.

10. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности, марка волокон «Спектра» (Spectra)

Фото: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

СВМПЭ – это по сути очень прочный пластик. Спектра, марка СВМПЭ, – это в свою очередь легкое волокно высочайшей износостойкости, в 10 раз превосходящее по этому показателю сталь. Как и кевлар, спектра используется в изготовлении бронежилетов и защитных шлемов. Наряду с СВМПЭ марки дайнимо спектра популярна в судостроении и транспортной промышленности.

9. Графен

Фото: pixabay

Графен – это аллотропная модификация углерода, и его кристаллическая решетка толщиной всего в один атом настолько прочная, что она в 200 раз тверже стали. Графен с виду похож на пищевую пленку, но порвать его – практически непосильная задача. Чтобы пробить графеновый лист насквозь, вам придется воткнуть в него карандаш, на котором должен будет балансировать груз весом с целый школьный автобус. Удачи!

8. Бумага из углеродных нанотрубок

Фото: pixabay

Благодаря нанотехнологиям ученым удалось сделать бумагу, которая в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Листы из углеродных нанотрубок в 10 раз легче стали, но удивительнее всего то, что по прочности они превосходят сталь в целых 500 раз! Макроскопические пластины из нанотрубок наиболее перспективны для изготовления электродов суперконденсаторов.

7. Металлическая микрорешетка

Фото: pixabay

Перед вами самый легкий в мире металл! Металлическая микрорешетка – это синтетический пористый материал, который в 100 раз легче пенопласта. Но пусть его внешний вид не вводит вас в заблуждение, ведь эти микрорешетки заодно и невероятно прочные, благодаря чему они обладают большим потенциалом для использования во всевозможных инженерных областях. Из них можно изготавливать превосходные амортизаторы и тепловые изоляторы, а удивительная способность этого металла сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать его для накопления энергии. Металлические микрорешетки также активно применяются в производстве различных деталей для летательных аппаратов американской компании Boeing.

6. Углеродные нанотрубки

Фото: User Mstroeck / en.wikipedia

Выше мы уже рассказывали про сверхпрочные макроскопические пластины из углеродных нанотрубок. Но что же это за материал такой? По сути это свернутые в трубку графеновые плоскости (9-ый пункт). В результате получается невероятно легкий, упругий и прочный материал широкого спектра применения.

5. Аэрографен

Фото: wikimedia commons

Известный также как графеновый аэрогель, этот материал чрезвычайно легкий и прочный одновременно. В новом виде геля жидкая фаза полностью заменена на газообразную, и он отличается сенсационной твердостью, жаропрочностью, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Невероятно, но графеновый аэрогель в 7 раз легче воздуха! Уникальное соединение способно восстанавливать свою изначальную форму даже после 90% сжатия и может впитывать такое количество масла, которое в 900 раз превышает вес используемого для абсорбции аэрографена. Возможно, в будущем этот класс материалов поможет в борьбе с такими экологическими катастрофами, как разливы нефти.

4. Материал без названия, разработка Массачусетского технологического института (MIT)

Фото: pixabay

Пока вы читаете эти строки, команда ученых из MIT работает над усовершенствованием свойств графена. Исследователи заявили, что им уже удалось преобразовать двумерную структуру этого материала в трехмерную. Новая графеновая субстанция еще не получила своего названия, но уже известно, что ее плотность в 20 раз меньше, чем у стали, а ее прочность в 10 раз выше аналогичной характеристики стали.

3. Карбин

Фото: Smokefoot

Хоть это и всего лишь линейные цепочки атомов углерода, карбин обладает в 2 раза более высоким пределом прочности, чем графен, и он в 3 раза жестче алмаза!

2. Нитрид бора вюрцитной модификации

Фото: pixabay

Это недавно открытое природное вещество формируется во время вулканических извержений, и оно на 18% тверже алмазов. Впрочем, алмазы оно превосходит еще по целому ряду других параметров. Вюрцитный нитрид бора – одна из всего 2 натуральных субстанций, обнаруженных на Земле, которая тверже алмаза. Проблема в том, что таких нитридов в природе очень мало, и поэтому их непросто изучать или применять на практике.

1. Лонсдейлит

Фото: pixabay

Известный также как алмаз гексагональный, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но в случае данной модификации атомы располагаются несколько иначе. Как и вюрцитный нитрид бора, лонсдейлит – превосходящая по твердости алмаз природная субстанция. Причем этот удивительный минерал тверже алмаза на целых 58%! Подобно нитриду бора вюрцитной модификации, это соединение встречается крайне редко. Иногда лонсдейлит образуется во время столкновения с Землей метеоритов, в состав которых входит графит.

Перепечатка статей разрешена только при наличии активной индексируемой ссылки на BUGAGA.RU

13 самых прочных материалов в мире

От вашего автомобиля до электроники в вашем доме, от природы до лаборатории, современный мир наполнен невероятно впечатляющими материалами. Более того, исследователи постоянно ищут новые материалы, которые можно было бы использовать для улучшения некоторых услуг и продуктов, которыми мы пользуемся каждый день, в лабораториях или даже в космосе.

[см. также]

Измерение прочности материала немного сложнее, чем просто измерение прочности или твердости. Вы можете подумать, что эти два слова являются синонимами, но для опытного инженера-материаловеда эти слова далеко не одно и то же. Прочность материала указывает на его устойчивость к деформации, а твердость материала указывает на то, насколько легко материал можно поцарапать.

Суммарная прочность любого материала по его тензорной прочности или силе сопротивления любого материала перед разрушением под непрерывным давлением. Прочность на растяжение имеет размеры силы на единицу площади.

Знаете ли вы, какой самый прочный материал на планете? Что ж, сегодня твой счастливый день. В следующем списке перечислены некоторые из самых прочных материалов на планете.

Человеческие кости

via GIPHY

Первый материал ближе, чем вы думаете. Хотя кости в теле не самые прочные материалы в этом списке, они все же очень прочные.

Вполне вероятно, что в какой-то момент вы сломали кости, но ваши кости выполняют множество функций, включая производство лейкоцитов и хранение важных минералов для вашего тела.

Карбид кремния

Источник:  карбид кремния

Как указано в его названии, карбид кремния представляет собой полупроводник, состоящий из материалов углерода и кремния, встречающихся в природе в минеральном муассаните. В настоящее время этот материал используется в автомобильной промышленности, в электроприборах и в астрономии.

Мельхиор

Мельхиор, состоящий из никеля, железа, марганца и меди, представляет собой материал с высокой устойчивостью к коррозии и макрообрастанию, теплопроводностью и высокой прочностью на растяжение. Материал с высокой коррозионной стойкостью широко используется в судоходной отрасли для изготовления корпусов и гребных винтов небольших рыбацких лодок.

Титановые сплавы

Источник: Национальный музей ВВС США

Титановые сплавы используются во многих отраслях, включая спортивные автомобили, коммерческие самолеты, ракеты и ракеты. Отрасли и продукты, подобные этим, нуждаются в прочных и легких материалах для повышения производительности.

Самые популярные

Титановые сплавы очень устойчивы к коррозии. Однако из-за производственных затрат эти материалы используются только в высокотехнологичных отраслях.

 Шелк паука 

via GIPHY

Шелк паука — один из самых прочных природных материалов на Земле. Как вы, наверное, уже знаете, пауки используют паутину, чтобы ловить добычу и защищать свое потомство.

Хотя прочность паучьего шелка варьируется от вида к виду, паучий шелк почти так же прочен, как сталь высшего качества, и в два раза слабее кевлара.

Стекловолокно

Источник: pixabay

Стекловолокно по своим свойствам похоже на полимеры и углеродное волокно. Стекловолокно, созданное в 1932 году, использовалось в качестве теплоизоляции зданий. Тем не менее, этот материал не такой прочный, как углеродное волокно, но намного дешевле, чем более прочный материал.

Алмазы

via GIPHY

По шкале Мооса алмаз является самым твердым из известных природных минералов на планете. Имея различное количество цветов, бриллианты используются в самых разных отраслях, включая производство.

Сами алмазы могут быть поцарапаны только другим алмазом. Некоторые голубые бриллианты являются природными полупроводниками, электрическими изоляторами и естественными электрическими проводниками.

Кевлар

через GIPHY

Изначально кевлар не использовался в тактических или военных целях. В 1970-х годах кевлар использовался в качестве замены стали в гоночных шинах.

По всему миру кевлар используется для бесчисленного множества инструментов и продуктов, включая велосипедные шины, гоночные паруса и наиболее известные пуленепробиваемые жилеты. Высокое соотношение прочности на растяжение к весу делает его в пять раз прочнее стали.

Patella Vulgata

Источник: Википедия

Также известный как блюдечко, patella vulgata — вид морских улиток, обитающий в Западной Европе. Зубы водных существ на самом деле могут быть прочнее паучьего шелка, который официально считается самым прочным природным материалом на Земле. Прочность вульгатной надколенника зубов сравнивают с прочностью углеродных волокон.

Zylon

Источник: Fibre Line

Разработанный SRI International как уникальная разновидность термореактивного жидкокристаллического полиоксазола, созданный материал в 1,6 раза прочнее кевлара и обладает той же термостойкостью, что и кевлар. Вы можете найти Zylon, используемый в некоторых видах спортивного снаряжения, таких как теннисные ракетки, основания для настольного тенниса и сноуборды.

Углеродное волокно

via GIPHY

Мощное и широко используемое углеродное волокно — впечатляющее инженерное достижение. Нити углеродного волокна имеют диаметр около 5–10 микрометров и состоят в основном из атомов углерода.

Этот материал предпочтительнее стали и других популярных сплавов из-за высокой жесткости, высокой прочности на растяжение, малого веса, высокой химической стойкости, устойчивости к высоким температурам и низкого теплового расширения. Материал используется в аэрокосмической, автомобильной промышленности, в спорте, в гражданском строительстве и в армии.

Вюрцит нитрит бора

Являясь одним из самых редких материалов в мире, вюрцит нитрит бора является одним из самых прочных материалов в этом списке. Этот материал можно найти в природе, однако из-за его редкости нитрит бора вюрцит необходимо синтезировать. Нитрит бора Wurtzite может выдерживать на 18% большую нагрузку, чем алмаз.

Графен

Источник: Википедия

Графен возглавляет список самых прочных материалов, известных человеку. Прозрачный материал состоит из однослойного атома углерода, расположенного в треугольной решетке, и является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок. Обычно используемый в аэрокосмической и автомобильной промышленности, графен в 200 раз превосходит сталь.

Источник: Science Direct

Для вас

инновации

«Наш первый космический запуск произойдет менее чем за половину времени, которое потребовалось Space X для достижения этой вехи», — сказал генеральный директор Phantom Space Джим Кантрелл.

Крис Янг | 20.09.2022

наукаВот что сложное общество приматов может рассказать нам о сексе и гендере

Дерья Оздемир| 28. 07.2022

наукаВнутри открытия самой большой из когда-либо найденных бактерий

Грант Каррин| 07.08.2022

Другие истории

наука
«Давайте построим кольцо»: как 360-градусное изображение, размещенное на Facebook, вдохновило на создание амбициозного научно-фантастического фильма

Пол Ратнер| 08.10.2022

инновации
SpinLaunch только что впервые запустила в небо полезную нагрузку НАСА

Крис Янг| 04.10.2022

культура
Технологическая война между США и Китаем: DJI, крупнейший в мире производитель дронов, внесен в черный список

Баба Тамим | 08.10.2022

Даже с дефектами графен является самым прочным материалом в мире

Графен остается самым прочным материалом из когда-либо измеренных и, как однажды выразился профессор Хоун, настолько прочным, что «потребовался бы слон, балансирующий на карандаше, чтобы пробиться сквозь него». лист графена толщиной с Saran Wrap».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science 31 мая 2013 года, исследователи Columbia Engineering продемонстрировали, что графен, даже если он сшит из множества мелких кристаллических зерен, почти так же прочен, как графен в его совершенной кристаллической форме. Эта работа разрешает противоречие между теоретическим моделированием, которое предсказывало, что границы зерен могут быть прочными, и более ранними экспериментами, которые показали, что они намного слабее, чем идеальная решетка.

Графен состоит из одного атомного слоя углерода, расположенного в виде сотовой решетки. «В нашей первой статье Science , опубликованной в 2008 году, изучалась прочность графена, которой он может достичь, если он не имеет дефектов, — его внутренняя прочность», — говорит Джеймс Хоун, профессор машиностроения, который руководил исследованием вместе с Джеффри Кисаром, профессором машиностроения. «Но бездефектный, нетронутый графен существует только на очень небольших участках. Листы большой площади, необходимые для приложений, должны содержать много мелких зерен, соединенных на границах зерен, и было неясно, насколько прочными были эти границы зерен. Это наша вторая 9В документе 0024 Science сообщается о прочности графеновых пленок большой площади, выращенных с использованием химического осаждения из паровой фазы (CVD), и мы рады сообщить, что графен вернулся и стал прочнее, чем когда-либо».

Исследование подтверждает, что обычно используемые методы постобработки графена, выращенного методом CVD, ослабляют границы зерен, что приводит к чрезвычайно низкой прочности, наблюдаемой в предыдущих исследованиях. Команда Columbia Engineering разработала новый процесс, который предотвращает повреждение графена во время переноса. «Мы заменили другой травитель и смогли создать тестовые образцы, не повредив графен», — отмечает ведущий автор статьи Гван-Хён Ли, научный сотрудник лаборатории Hone. «Наши результаты явно исправляют ошибочное мнение о том, что границы зерен графена слабые. Это отличная новость, потому что графен предлагает множество возможностей как для фундаментальных научных исследований, так и для промышленных приложений».

Джеймс Хоун

Джеффри Кисар

Смотреть Профессор Джеймс Хоун проводит для нас экскурсию по своей лаборатории синтеза в здании Northwest Corner Building, где он выращивает графен и нанотрубки.

В своей совершенной кристаллической форме графен (углеродный слой толщиной в один атом) является самым прочным материалом из когда-либо измеренных, как сообщила команда инженеров Колумбийского университета в Science в 2008 году. слон, балансирующий на карандаше, чтобы пробить лист графена толщиной с саранскую пленку». Для первого исследования команда получила небольшие структурно совершенные чешуйки графена путем механического расслоения или механического отслаивания от кристалла графита. Но расслоение — это трудоемкий процесс, который никогда не будет практичным для любого из множества потенциальных применений графена, требующих промышленного массового производства.

В настоящее время ученые могут выращивать листы графена размером с телевизионный экран, используя химическое осаждение из паровой фазы (CVD), при котором отдельные слои графена выращиваются на медных подложках в высокотемпературной печи. Одним из первых применений графена может быть проводящий слой в гибких дисплеях.

«Но CVD-графен «сшит» вместе из множества мелких кристаллических зерен — как стеганое одеяло — на границах зерен, которые содержат дефекты в атомной структуре», — объясняет Кисар. «Эти границы зерен могут серьезно ограничить прочность графена большой площади, если они ломаются гораздо легче, чем идеальная кристаллическая решетка, и поэтому существует большой интерес к пониманию того, насколько прочными они могут быть».

Инженерная группа Колумбийского университета хотела выяснить, что делает CVD-графен таким слабым. Изучая методы обработки, используемые для создания образцов для испытаний, они обнаружили, что химическое вещество, наиболее часто используемое для удаления медной подложки, также вызывает повреждение графена, серьезно снижая его прочность.

Их эксперименты показали, что CVD-графен с крупными зернами точно так же прочен, как расслоенный графен, показывая, что его кристаллическая решетка столь же совершенна. И, что более удивительно, их эксперименты также показали, что CVD-графен с мелкими зернами, даже при тестировании прямо на границе зерен, составляет около 90% прочнее идеального кристалла.

«Это захватывающий результат для будущего графена, потому что он предоставляет экспериментальные доказательства того, что исключительная прочность, которой он обладает в атомном масштабе, может сохраняться вплоть до образцов размером в несколько дюймов и более», — говорит Хон. «Эта сила будет иметь неоценимое значение, поскольку ученые продолжают разрабатывать новую гибкую электронику и сверхпрочные композитные материалы».

Прочный графен с большой площадью можно использовать для самых разных применений, таких как гибкая электроника и компоненты усиления — потенциально, телевизионный экран, который сворачивается, как постер, или сверхпрочные композиты, которые могут заменить углеродное волокно. Или, как предполагают исследователи, научно-фантастическая идея космического лифта, который мог бы соединить орбитальный спутник с Землей с помощью длинного шнура, который может состоять из листов CVD-графена, поскольку графен (и его родственный материал, углеродные нанотрубки) является единственным материалом. с высоким отношением прочности к весу, необходимым для такого гипотетического применения.

Команда также увлечена изучением двумерных материалов, таких как графен. «О влиянии границ зерен в 2D-материалах известно очень мало», — добавляет Кисар. «Наша работа показывает, что границы зерен в 2D-материалах могут быть гораздо более чувствительными к обработке, чем в 3D-материалах. Это связано с тем, что все атомы в графене являются поверхностными атомами, поэтому поверхностные повреждения, которые обычно не снижают прочность 3D-материалов, могут полностью разрушить прочность 2D-материалов. Однако при соответствующей обработке, которая позволяет избежать повреждения поверхности, границы зерен в двумерных материалах, особенно в графене, могут быть почти такими же прочными, как идеальная бездефектная структура».

Исследование было поддержано грантами Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда.

10 Самый прочный материал в мире

Поиск самого прочного материала в мире никогда не закончится.

Каждое устройство, которое мы используем в повседневной жизни, изготовлено из материалов, обладающих удивительными свойствами, помогающими им функционировать. Но на самом деле не всем устройствам нужен самый прочный материал.

Когда вы думаете о самом прочном материале в мире, на ум приходят алмазы.

Но алмаз самый прочный?

Несомненно, алмаз прочный, но есть и другие материалы, которые прочнее алмаза.

Давайте посмотрим, какую позицию алмаз может занять в нашем списке 10 самых прочных материалов на сегодняшний день.

Photo by Gigi on Unsplash

В этой статье

• 10 самых прочных материалов на Земле на сегодняшний день
  • 10. Стекло из палладиевого сплава
  • 9. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)
  • 9 Limpet Teeth 9. Limpet Teeth0223
  • 7. Zylon
  • 6. Moissanite
  • 5. Diamond
  • 4. Нитрид бора вурцита (W-BN)
  • 3. Lonsdaleite
  • 2. Carbon Nanotube Paper (Bucky Paper)
  • 2. Carbon Nanotube Paper (Bucky Paper)
  • 2. Carbon Nanotube Paper (Bucky)
  • 2
  • . 2. Углебояна.

  Прочность означает способность выдерживать нагрузки. Материал называется прочным, если он может выдерживать большие нагрузки без разрушения. Недавние разработки в области материаловедения представили удивительные материалы, которые имеют большое значение прочности на растяжение.

  Некоторые из них очень легкие, поэтому их отношение прочности к весу очень хорошее и может превзойти кевлар и даже алмаз. Итак, вот наш список 10 самых прочных материалов.

  10. Стекло из сплава палладия

  Всякий раз, когда мы думаем о стекле, на ум приходит его хрупкая природа. Но это стекло из сплава палладия прочное и прочное, а также намного прочнее стали. Исследователи из Калифорнийского технологического института и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли смогли синтезировать этот материал. Эта работа была опубликована в журнале Nature Materials в январе 2011 г.

  Этот сплав обладает высокой прочностью благодаря способности экранировать трещины. Когда дефекты в аморфной структуре становятся активными под нагрузкой, они сливаются в тонкие полосы, называемые полосами сдвига. Эти полосы распространяются за счет скольжения и привносят большую вязкость разрушения.

  Несмотря на то, что он прочен и имеет большой предел прочности при растяжении (TS), его использование ограничено из-за его дороговизны.

  9. Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ)

  СВМПЭ — это полимерное волокно, известное под названием 9.0097 Dyneema и Spectra . Оба эти волокна являются прочными производными полиэтилена. Эти волокна прочнее, чем популярное арамидное волокно, кевлар. Они почти в 15 раз прочнее стали.

  Dyneema имеет TS 3,9 гигапаскалей (ГПа) . Он обладает такой силой благодаря своему молекулярному составу, что одна молекула может содержать массу до 7,5 миллионов атомов водорода. Это позволяет им выдерживать большую нагрузку, передавая нагрузку на такую ​​длинную цепь.

  Они также устойчивы к влаге и чрезвычайно долговечны. Так, эти волокна чаще всего используются при изготовлении канатов для альпинизма, рыбалки, сетей и т. д. Благодаря высокой прочности их применяют и в доспехах.

  8. Зубы блюдца

  Зубы блюдца, морской улитки, изготовлены из самого прочного материала и имеют биологическое происхождение. Он состоит из минерально-белкового композита, минерала на основе железа, называемого гетитом, полученного из белка. Этот материал почти в пять раз прочнее шелка паука и имеет TS 5 ГПа . Они используют эти зубы, чтобы проникать в камни и добывать из них пищу.

  7. Zylon

  Zylon представляет собой полимерный материал из жидкокристаллического полиоксазола. Этот материал имеет ТУ 5,8 ГПа . Из него изготавливают бронежилеты и веревки различного назначения. Несмотря на то, что он прочнее, он с большей вероятностью деградирует. Его срок службы составляет почти 30 месяцев, и поэтому он не так популярен, как Dyneema и кевлар в современном мире.

  6. Муассанит

  Муассанит является полиморфной модификацией карбида кремния. Его открыл Анри Муассан, в честь которого и был назван. Он удерживается прочными ковалентными связями, которым он обязан своей прочностью. Он очень редко встречается на Земле, хотя его присутствие обнаруживается в метеоритах.

  В отличие от других полиморфов карбида кремния, он прочен и используется в качестве украшений. Кроме того, он используется в режущих инструментах и ​​экспериментах с высоким давлением в качестве замены алмазов, поскольку он немного менее прочен, чем алмазы. Значение TS составляет 52,8 ГПа .

  5. Алмаз

  Алмаз является одним из аллотропов углерода. Его можно найти в природе, а синтетические алмазы можно получить и в лаборатории. Он имеет очень компактную кубическую кристаллическую структуру без свободных электронов, и каждый углерод образует четыре ковалентные связи.

  Теоретически алмаз может быть прочнее любого из материалов, представленных здесь, но зарегистрированная TS алмаза составляет 60 ГПа . Это большое значение, но оно более плотное по сравнению с другими волокнами. И поэтому некоторые люди диктуют, что вышеупомянутые волокна прочнее алмазов на основе отношения прочности к весу. Но алмаз – прочный материал.

  4. Вюрцит нитрид бора (w-BN)

  Вюрцит нитрид бора – один из самых прочных материалов в мире. Имеет шестигранную структуру. Его теоретические TS достигает 90 ГПа , что близко к вязкой бумаге. Однако это еще предстоит доказать. Ограничения доступности w-BN затрудняют доказательство. Между тем, он по-прежнему считается более прочным материалом, чем алмаз.

  3. Лонсдейлит

  Лонсдейлит, также называемый гексагональным алмазом, также является аллотропом углерода с гексагональной решеткой. Существующий лонсдейлит из метеоритов и различных месторождений алмазов демонстрирует меньшую прочность, чем алмаз, но моделирование показывает, что он может быть прочнее алмаза.

  Лонсдейлит на 58% прочнее алмаза. Это делает его самым прочным материалом среди существующих в природе. Хотя когда-нибудь w-BN может оказаться самым прочным материалом из-за его теоретической вероятности.

  2. Бумага из углеродных нанотрубок (Buky Paper)

  Углеродные нанотрубки (УНТ) изготавливаются путем прокатки листов графена. Они очень сильны по отдельности. Когда эти трубки объединяются в бумагу, эта бумага очень прочная. Он имеет TS до 90 ГПа . Бумага из чистого УНТ, несомненно, является самым прочным материалом на Земле, ее прочность в 500 раз выше, чем у стали. Но агрегация такого количества возможна только за счет внесения дефектов. Это снижает прочность этой бумаги.

  Эту бумагу можно использовать в автомобилях, бронетехнике и космических кораблях. Его легкий вес и поразительная прочность позволяют использовать его в различных механических целях.

  1. Графен

  Графен представляет собой двумерный лист углерода, образующий графит. Впервые он был выделен в 2004 году в Манчестерском университете Андреем Геймом и Константином Новоселовым. За это выдающееся открытие в 2010 году они получили Нобелевскую премию.

  Графен чрезвычайно прочен и является самым прочным из когда-либо известных материалов.