超硬材料的用途非常廣泛,無論是鉆探石油和修公路用的鉆頭,還是精密儀器和手表表面的抗摩涂層,都需要使用超硬材料蛾扇。加州大學(xué)洛杉磯分嗅Ｎ停科學(xué)家開發(fā)出一種制造超硬材料的新方法,他們制造的超硬材料具有極強(qiáng)的耐摩性和抗裂性窑竖。他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)刊登在4月20日出版的《科學(xué)雜志》上。

這項(xiàng)研究的合著者查德·B·凱恩是加州大學(xué)洛杉磯分校無機(jī)化學(xué)蜻肄、材料科學(xué)和工程學(xué)教授际终。他認(rèn)為,金剛石之所以是世界上最硬的材料,是因?yàn)榻饎偸奶荚娱g具有極短的共價(jià)鍵。實(shí)事上,世界上所用的大多數(shù)金剛石都是人工合成的,而且價(jià)格非常昂貴琴致。金剛石粉未可用于制造石油鉆頭誓呆、筑路機(jī)和挖山洞用的挖穴機(jī)。然而,金剛石不能用于切割鋼鐵,因?yàn)榍懈钿撹F將毀壞金剛石刀片样刷。凱恩說,立方結(jié)構(gòu)的氮化硼是金剛石的替代品,可以用來用來切割鋼鐵,但它是在非常高的溫度和壓力條件上合成的,其價(jià)格比金剛石還要昂貴仑扑。

超硬材料具有“超級(jí)不可壓縮性”,意思是它們具有抵抗外形變化的抗性,這正是產(chǎn)生硬度的必要條件。制造超硬材料的方法有兩種:一種是通過使用碳元素并將其與硼或氮合成在一起來仿制金剛石,從而保持較短的共價(jià)鍵置鼻；另一種是尋找具有“不可壓縮性”的金屬并設(shè)法使其堅(jiān)硬镇饮。凱恩和他的同事正在發(fā)展第二種方法。凱恩說:“我們的設(shè)想是合成一種‘不可壓縮的’金屬,這種金屬碰巧是低硬度的,但它具有可以使其變硬的短共價(jià)鍵箕母〈⒚辏”凱恩是加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究院成員,該研究院鼓勵(lì)通過跨學(xué)科合作來解決納米科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題。

鋨是一種相對(duì)柔軟的金屬元素,是目前所知道的最具“不可壓縮性”的金屬,2005年,凱恩的研究團(tuán)隊(duì)把鋨元素與短共價(jià)鍵原子合成在一起,制造出一種幾乎與金剛石同樣“不可壓縮的”材料司蔬。它是如此堅(jiān)硬,甚至可以在硬度達(dá)9級(jí)的藍(lán)寶石上劃出痕跡(硬度的劃分級(jí)別為1～10級(jí))邑茄∫毯“我們發(fā)現(xiàn),如果我們把硼和鋨結(jié)合在一起,我們只能使鋨金屬中鋨原子的分隔距離擴(kuò)大10%,這已經(jīng)非常不錯(cuò)了俊啼；如果你想盡可能地縮小原子之間的分隔距離,就需要尋找更好的過渡金屬∽笠剑”凱恩說:“于是我們仔細(xì)搜索了所有過渡金屬以確認(rèn)是否有比鋨更好的過渡金屬,從而使膨脹系數(shù)少于10%授帕。我們發(fā)現(xiàn)只有錸具有這種潛力,因此,我們制造出二硼化錸∧辛郏”

錸是一種高密度嫌寓、低硬度的金屬,它在元素周期表中剛好排在鋨元素的后面〖鹱常“我們合成出了短共價(jià)鍵,我們只能使錸金屬中錸原子的分隔距離擴(kuò)大5%,從而使其既具有‘不可壓縮性’又非常堅(jiān)硬虎北。錸金屬中的錸原子之間的距離僅膨脹了5%——這是這篇科學(xué)論文的關(guān)鍵。在某個(gè)方向上,二硼化錸的‘不可壓縮性’與金剛石相同,在另一個(gè)方向上,二硼化錸的‘可壓縮性’僅比金剛石稍高呈缴∫赋荆”在低作用力下,二硼化錸的硬度與立方結(jié)構(gòu)的氮化硼相等,而氮化硼是第二硬的材料。在更高的作用力下,二硼化錸的硬度僅比氮化硼稍低。凱恩稱:“我們的材料非常堅(jiān)硬,足以劃破金剛石,比二硼化鋨要硬得多盈综《笙＃”

而且其它超硬材料,包括金剛石和立方結(jié)構(gòu)的氮化硼都是在昂貴的高壓條件下制造出來的。凱恩說,“我們的材料只需要通過一種簡(jiǎn)單的程序就可以制造出來,不需要使用壓力寒圃」ぶ常”在談到合作時(shí),凱恩說,“我之所以來到加州大學(xué)洛杉磯分校,之所以喜歡這個(gè)地方,是因?yàn)闊o論你做什么,比如,以我個(gè)人來說,無論你何時(shí)想要制造一種新材料,你經(jīng)常需要你自己不具有的設(shè)備和技能。而加州大學(xué)洛杉磯分校擁有材料制造領(lǐng)域的專家和相應(yīng)的設(shè)備,每次我有疑問時(shí),所有人都樂于幫助我進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并積極地與我合作背涉“校”凱恩認(rèn)為,盡管新超硬材料有巨大的潛力,但它們還不可能在短時(shí)間內(nèi)取代金剛石。

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