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.

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

Мартенситно-стареющая сталь

Общая информация:

Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
Предел упругости – 1500 Мпа;
KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Мартенситно-стареющая сталь

Общая информация:

Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
Предел упругости – 1500 Мпа;
KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.

Мартенситно-стареющие стали – сплавы железа, обладающие высокой прочностью при ударах, при этом не теряющие тягучести. Несмотря на такие характеристики, материал не держит режущую кромку. Полученные путем термообработки сплавы – это низкоуглеродистые вещества, берущие прочность от интерметаллидов. В состав сплава входит никель, кобальт и другие карбидообразующие элементы. Данная разновидность высокопрочной, высоколегированной стали легко поддается обработке, связано это с небольшим содержанием в ее составе углерода. Материал с такими характеристиками нашел применение в аэрокосмической области, его используют в качестве покрытия ракетных корпусов.

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!

Эльбор

Эльбор иначе называют кингсонгит и боразон. Материал этот практически такой же твердый, как и алмаз. Благодаря этому он широко используется в обработке различных твердых сплавов. Эльбор является природной модификацией нитрида бора.

Эльбор — единственное соединение бора, которой образуется в недрах нашей планеты. Остальные минералы, в состав которых входит бор, зарождаются около поверхности Земли.

Эльбор удалось обнаружить в части земной коры, которая в ходе эволюции планеты словно бы «нырнула» под соседнюю литосферную плиту. На глубине более трех сотен километров при температуре около 1200 градусов произошли химические превращения, в результате которых и появился этот сверхтвердый минерал. Случилось это примерно 180 миллионов лет назад.

Ученые приблизились к промышленному синтезу материала тверже алмаза

Исследователи из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ, МИСиС и МГУ разработали новый метод синтеза ультратвердого материала, который превосходит алмаз по твердости. Детальное описание способа, позволяющего синтезировать ультратвердый фуллерит — полимер на основе фуллеренов, молекул в виде сфер из атомов углерода, — приводится в журнале Carbon.

В своей работе ученые отмечают, что алмаз уже давно не является самым твердым материалом. Натуральные алмазы имеют твердость около 150 гигапаскалей — сейчас первое место в перечне самых твердых материалов занимает ультратвердый фуллерит с показателем твердости от 150 до 300 ГПа.

Ультратвердыми материалами называют все, что тверже алмаза; материалы мягче алмаза, но тверже нитрида бора обозначают как сверхтвердые: нитрид бора с кубической решеткой почти втрое тверже хорошо известного корунда.

Фуллериты — это материалы, состоящие из фуллеренов. Фуллеренами, в свою очередь, называют молекулы углерода в виде сфер, образованных 60 атомами; фуллерен синтезирован более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия. Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твердость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой. В открытом сотрудниками Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ФГБНУ ТИСНУМ) ультратвердом фуллерите молекулы С60 связаны друг с другом ковалентными связями во всех направлениях — этот материал ученые называют трехмерным полимером.

Однако методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвердая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов: чем тверже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.

(схематическое изображение молекулы фуллерена, C60)

Невозможность синтеза фуллерита в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо создать для начала реакции. Образование трехмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер — а создать такое давление в большом объеме современная техника не позволяет.

(Алмазные наковальни, деформированные при синтезе ультратвердого фуллерита, обратите внимание на вмятину в центре)

Ученые показали, что добавление к исходной смеси реагентов сероугерода, CS2, играет роль катализатора в синтезе фуллерита. Это вещество синтезируется в промышленных масштабах, активно используется на различных предприятиях, а технологии работы с ним хорошо отработаны. Сероуглерод, как показали эксперименты, конечный продукт, но выступает в роли катализатора. а счет него образование ценного сверхтвердого материала становится возможным при меньшем давлении — 8 ГПа, причем при комнатной температуре, в то время как предыдущие попытки синтезировать фуллерит при 13 ГПа требовали нагрева до 1100К (свыше 820 градусов Цельсия).

«Открытие, описанное в статье (каталитический синтез ультратвердого фуллерита) создает новое направление в области материалов, поскольку существенно снижает давление синтеза и позволяет промышленно производить этот материал и его производные», — пояснил ведущий автор исследования, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов в ФГБНУ ТИСНУМ Михаил Юрьевич Попов.

P.S.

Подробнее ультратвердый фуллерит описан в следующих научных публикациях:

Is C 60 fullerite harder than diamond? V.Blank, M.Popov, S.Buga, V.Davydov, V.N. Denisov, A.N. Ivlev, B.N. Mavrin, V.Agafonov, R.Ceolin, H.Szwarc, A.Rassat. Physics Letters A Vol.188 (1994) P 281-286.
Structures and physical properties of superhard and ultrahard 3D polymerized fullerites created from solid C60 by high pressure high temperature treatment. V.D. Blank, S.G. Buga, N.R. Serebryanaya, G.A. Dubitsky, B. Mavrin, M.Yu. Popov, R.H. Bagramov, V.M. Prokhorov, S.A. Sulynov, B.A. Kulnitskiy and Ye. V. Tatyanin. Carbon, V.36, P 665-670 (1998)
Ultrahard and superhard phases of fullerite C60 : comparison with diamond on hardness and wear. V.Blank, M.Popov, G.Pivovarov, N.Lvova, K.Gogolinsky, V.Reshetov. Diamond and Related Materials. Vol. 7, No 2-5 (1998), P 427-431

P.P.S.

Пресс-служба МФТИ благодарит исследователя за неоценимую помощь в подготовке материала. Если вы также работаете в МФТИ и недавно опубликовали интересную научную статью — свяжитесь с нами по почте

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.

Диорит

Диорит – это глубинная порода, состоящая в основном из минералов, плагиоклаза, включающая цветной минерал – роговую обманку. Иногда присутствует кварц, и тогда порода носит название кварцевого диорита.
Цвет диорита серый, темно-серый, серовато-зеленый. Окраска диорита более светлая, чем у габбро, иногда имеют совершенно лейкократовый облик.

Строение диорита – среднезернистое (реже мелкозернистое), полируемость диорита средняя. Предел прочности на сжатие 1800-2400 кг/см2, объемная масса 2640 кг/м3.

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.

Как повысить прочность металла

Существует несколько способов повышения прочности металлов и сплавов:

Создание сплавов и металлов, имеющих бездефектную структуру. Ведутся работы по получению волокнистых кристаллов (вискеров), в несколько десятков раз превышающих прочность обычных металлов.
Получение увеличения объема и поверхностного давления искусственным путем. Обработка металла под давлением (ковка, волочение, прокатка, прессование) дает объемную клепку, а накатка и дробеструйная обработка — поверхностную клепку.
Формирование металлических сплавов с использованием элементов из периодической таблицы.
Очистка металла от содержащихся в нем примесей. В результате механические свойства металла улучшаются, а распространение трещин значительно уменьшается.
Устранение шероховатости поверхности металла.

Таблица предела прочности металлов

Металл	Назначение	Прочность, МПа
Вести	Pb	18
Олово	Sn	20
Кадмий	Cd	62
Алюминий	Аль	80
Бериллий	Будьте	140
Магний	Mg	170
Медь	Cu	220
Кобальт	Co	240
Железо	Fe	250
Ниобий	Nb	340
Никель	Ni	400
Титан	Ti	600
Молибден	Mo	700
Цирконий	Zr	950
Вольфрам	W	1200

Как производят металлы?

Металлы добываются из руд. Для определения их вкладов используются различные сложные методы и системы расчетов. Производство металлов осуществляется в несколько этапов:

Разработка рудного месторождения. Он может быть открытым или закрытым. Иногда методы добычи комбинируются. Метод открытого разреза менее опасен.
Очистка руды. Этот процесс осуществляется для извлечения полезных компонентов (рудного концентрата), которые будут использоваться в дальнейшем производстве.
Добыча металла. Осуществляется с использованием электролитических или химических методов восстановления.
Выплавка металлов. Это достигается в технологических печах, где сырье нагревается до повышенной температуры. Кроме того, используется восстановитель.

Разработка рудного месторождения (Фото: Instagram / polyus_official)

Характеристика металлов

Металлы — это группа из более чем 90 простых веществ из периодической таблицы Менделеева. Они редко встречаются в природе в чистом виде, поэтому чаще всего их добывают из руд. Это название, данное типу минерала, который представляет собой комбинацию нескольких химических компонентов, таких как минералы и те же металлы. Металлы характеризуются несколькими свойствами, которые используются для их классификации по группам:

Твердость — сопротивление проникновению в материал другого, более твердого тела;
твердость — сопротивление разрушению при воздействии внешней нагрузки;
упругость — изменение формы материала под действием внешних сил и его восстановление после прекращения действия этих сил;
пластичность — изменение формы материала под влиянием внешнего воздействия и ее восстановление после устранения этого воздействия
Стойкость к истиранию — сохранение внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения
Вязкость — способность материала растягиваться под воздействием внешних сил;
Усталость — способность материала выдерживать повторяющиеся нагрузки;
Термостойкость — устойчивость к окислительным процессам при нагревании до высоких температур.

Недавно ученые создали улучшенный алюминиевый сплав 6063, который уничтожает бактерии. Считается, что его можно использовать для изготовления дверных ручек в больницах и других общественных местах.

Интересные факты

Титановые сплавы, удельный вес которых превышает удельный вес алюминия примерно на 70%, в 4 раза прочнее алюминия. Поэтому с точки зрения удельной прочности сплавы, содержащие титан, более жизнеспособны для использования в самолетостроении.
Многие алюминиевые сплавы превышают удельную прочность сталей, содержащих углерод. Алюминиевые сплавы очень пластичны, устойчивы к коррозии и прекрасно поддаются обработке давлением и резанием.
Пластмассы имеют более высокую удельную прочность, чем металлы. Однако из-за недостаточной жесткости, механической прочности, старения, повышенной хрупкости и низкой теплостойкости ламинаты, текстолит и сэндвич-пластики имеют ограниченное применение, особенно в крупногабаритных конструкциях.
Было установлено, что черные и цветные металлы и многие их сплавы уступают стеклопластикам по коррозионной стойкости и удельной прочности.

Механические свойства металлов являются важным фактором, влияющим на их применение на практике. При проектировании любой конструкции, детали или машины и выборе материала необходимо учитывать все механические свойства, которыми он обладает.

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 2021 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.

виды, классификация, характеристики, интересные 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.

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.

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.

Твердые и сверхтвердые материалы

Hyperion Materials & Technologies — лидер в разработке и производстве твердых и сверхтвердых материалов. Мы производим порошки карбида вольфрама, цементированные карбиды вольфрама, кубические нитриды бора (CBN), поликристаллические CBN (PCBN) и синтетические алмазы (порошковые, сетчатые и поликристаллические (PCD)).

Карбид

Цементированный карбид является одним из самых твердых и наиболее успешных композитных конструкционных материалов, когда-либо производимых. Его уникальное сочетание прочности, твердости и ударной вязкости удовлетворяет самым требовательным требованиям.

Карбид

Кермет

Керметы иногда используются вместо карбида вольфрама при резке металлов и других областях применения. Само название отражает природу материала, поскольку они обладают свойствами, которые представляют собой смесь керамики и металлов.

Кермет

Кубический нитрид бора

Кубический нитрид бора (CBN) является одним из величайших технологических достижений в области удаления материала. Он был разработан специально для работы с черными металлами и уступает по твердости алмазу, удваивая твердость и в четыре раза превышая стойкость к истиранию по сравнению с обычными абразивами. Продукты Hyperion CBN и поликристаллические CBN (PCBN) обладают исключительной теплопроводностью и исключительной целостностью поверхности.

Кубический нитрид бора

Алмаз

Синтетические (искусственные) алмазные кристаллы являются одним из самых твердых материалов в мире и являются оптимальным выбором для удаления материала. Синтетические алмазы превосходят природные алмазы с точки зрения качества и консистенции и уже более пяти десятилетий являются бесспорным участником индустрии удаления материалов.

Алмаз

Усиленные Хаосом, новые сверхтвердые материалы будут перемешивать сталь вместе

В рамках проекта Министерства обороны США под руководством Дьюка будут созданы инструменты искусственного интеллекта для разработки рецептов новых материалов, предназначенных для сверхтвердых и высокотемпературных применений. синтезировать недорогие материалы, достаточно твердые, чтобы буквально смешать два куска стали с минимальным износом.

Благодаря пятилетнему гранту в размере 7,5 млн долларов США, выделенному в рамках конкурса Многодисциплинарной университетской исследовательской инициативы (MURI) Министерства обороны США, команда также разработает набор инструментов для создания материалов с искусственным интеллектом, способных по запросу создавать аналогичные материалы с заданными свойствами. приспособлены для широкого спектра применений.

Класс так называемых «высокоэнтропийных» материалов обеспечивает повышенную стабильность за счет хаотической смеси атомов, а не за счет упорядоченной атомной структуры обычных материалов. Впервые продемонстрировав этот подход с карбидами в 2018 году, исследователи теперь будут пытаться добавить бориды в нерегулярные самоорганизующиеся структуры для производства одних из самых твердых материалов, когда-либо созданных.

В состав MURI входят исследователи из Университета штата Пенсильвания, Университета штата Северная Каролина, Университета науки и технологий Миссури и Университета Буффало.

«Мы уже разработали вычислительную технику, необходимую для того, чтобы сказать нам, когда это явление приведет к образованию этих стабильных, сверхтвердых материалов», — сказал Стефано Куртароло, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка и лидер нового MURI, его второй за последние восемь лет. «Наша цель сейчас — разработать необходимые процедуры «приготовления», а также инструменты AI-материалов, которые могут автоматизировать открытие новых рецептов для удовлетворения различных потребностей».

В то время как материалы с высокой энтропией могут быть полезны для многих приложений, одним из приоритетов в верхней части списка Министерства обороны США является сварка трением с перемешиванием. Изобретен в начале 19В 90-х годах в этой технике используются сверла, чтобы соединить два куска металла, не расплавляя их.

«Мы знаем, что части работают, нам просто нужно собрать их все вместе. Как только у нас появятся высокоэнтропийные бориды и карбиды, мы сможем упаковать их вместе в сверхтвердый сэндвич. Это будет убийственно».
Стефано Куртароло | профессор машиностроения и материаловедения

При вращении биты нагревают и размягчают металл, позволяя окружающему материалу закручиваться и перемешиваться по мере движения машины по линии. Поскольку ни один из металлов не нагревается до точки плавления, сварка трением с перемешиванием обеспечивает чрезвычайно прочное и долговечное соединение с небольшим количеством дефектов. Этот метод можно использовать на широком спектре материалов и даже на нескольких типах металлов одновременно.

Но борется со сталью.

Чтобы наконечник для сварки трением с перемешиванием успешно соединил два куска стали, он должен быть невероятно прочным, чтобы избежать слишком быстрого износа, термически устойчивым, чтобы выдерживать высокие температуры, химически инертным, чтобы не загрязнять сварной шов, и достаточно дешев для массового производства. Алмаз достаточно тверд для работы, но во время процесса он выделяет атомы углерода, делая сварной шов хрупким. Поликристаллический кубический нитрид бора — предпочтительный в настоящее время материал — изнашивается слишком быстро для того, насколько дорого его производить.

«Если бы правильный материал мог сделать сварку трением с перемешиванием жизнеспособным выбором для крупных проектов, связанных со сталью, это могло бы произвести революцию в строительстве кораблей и другого оборонного оборудования, — сказал Куртароло. — И у нас есть идея идеального материала для работа.»

Материал, который Куртароло и его коллеги имеют в виду, представляет собой комбинацию углерода, бора, азота и пяти других недорогих металлических элементов, стабилизированных хаотической энтропией

Когда студенты изучают молекулярные структуры, им показывают кристаллы, подобные соли , который напоминает трехмерную шахматную доску.Эти материалы приобретают свою стабильность и прочность благодаря регулярным, упорядоченным атомным связям, где атомы соединяются друг с другом, как кусочки головоломки.

Несовершенства кристаллической структуры, однако, часто могут повысить прочность материала. Если трещины начинают распространяться, например, по линии молекулярных связей, группа несовмещенных структур может остановить их на своем пути. Закалка твердых металлов с идеальным количеством беспорядка достигается с помощью процесса нагрева и закалки, называемого отжигом.

Высокоэнтропийные материалы выводят эту идею на новый уровень. Отбросив зависимость от кристаллических структур и связей для их стабильности, эти материалы полагаются на беспорядок в нескольких масштабах длины для повышения стабильности. В то время как куча бейсбольных мячей сама по себе не устоит, куча бейсбольных мячей, обуви, бит, шапок и перчаток вполне может поддержать отдыхающего бейсболиста.

В 2018 году Куртароло, Кормак Тоэр, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Duke, и их команда показали, что этот подход может работать с карбидами, когда они разработали несколько рецептов, которые оказались чрезвычайно твердыми и термостойкими.

Они также работают над производством аналогичных материалов на основе бора, и их твердость уже приближается к отраслевому стандарту. Куртароло считает, что ключом к решению проблемы сварки трением с перемешиванием является объединение этих двух процессов во взаимосвязанном, похожем на тетрис лабиринте высокоэнтропийных карбидов и боридов.

«Карбиды обычно не смешиваются с боридами, но если мы сможем заставить их образовывать взаимосвязанные зерна, мы сможем сделать что-то более твердое, чем оба», — сказал Куртароло. «Вот в чем хитрость».

Однако, учитывая длинный список возможных ингредиентов и столь же длинный список возможных способов их приготовления, найти идеальную комбинацию методом проб и ошибок не представляется возможным. Вместо этого команда обращается к компьютерному моделированию и машинному обучению.

Команда Куртароло уже знает, как моделировать и прогнозировать образование высокоэнтропийных карбидов, и они приближаются к выяснению высокоэнтропийных боридов. За помощью на этом фронте Куртароло обращается к Уильяму Фаренгольцу, выдающемуся профессору керамической инженерии в Миссури S&T и эксперту по боридам и другим высокотемпературным материалам.

Имея более твердый контроль над высокоэнтропийными боридами, группа может генерировать большие объемы данных о своих потенциальных рецептах и передавать их Еве Зурек, профессору химии в Университете Буффало и эксперту в области вычислительной и теоретической химии, которая разработать алгоритмы искусственного интеллекта, чтобы быстрее ориентироваться в целевых смесях. Дополнить эти алгоритмы, исследуя, как различные свойства карбидов и боридов будут влиять на области сжатия и растяжения, будет Дональд Бреннер, заведующий кафедрой и выдающийся профессор материаловедения и инженерии в штате Северная Каролина.

Для тестирования их отваров потребуется специальное оборудование, которое может брать элементарные порошки, нагревать их до нескольких тысяч градусов под высоким давлением (без плавления) в течение нескольких дней, а затем медленно охлаждать. Наблюдение и характеристика формирования этих структур будут осуществляться профессорами материаловедения и инженерии Университета штата Пенсильвания Джоном-Полом Марией и Дугласом Вулфом, последний из которых также является главой отдела обработки металлов, керамики и покрытий в прикладном университете штата Пенсильвания. Исследовательская лаборатория.

Когда все сказано и сделано, Куртароло и его команда надеются не только произвести сверхтвердую, высокоэнтропийную карбидо-боридную сталь, пригодную для сварки трением с перемешиванием, но и разработать систему для разработки подобных материалов, подходящих для других материалов.