Как следует из названия, сверхтвердые материалы — это материалы с чрезвычайно высокой твердостью. Вообще говоря, алмаз имеет самую высокую твердость: твердость по шкале Мооса равна 10, а cBN немного ниже, чем у алмаза, поэтому к сверхтвердым материалам обычно относятся алмаз и cBN или композиционные материалы, изготовленные из этих двух материалов, в качестве основных компонентов. Твердость четырех типов твердых материалов, используемых в качестве «промышленных зубьев»: корунда, карбида кремния, цементированного карбида и быстрорежущей стали, намного ниже твердости алмаза и cBN, поэтому сверхтвердые материалы еще называют самыми твердыми и острыми. «промышленные зубы» или «король материалов». Структура и свойства сверхтвердых материалов 1. Структура и свойства алмаза Как и в других углеродных материалах, основным химическим элементом состава алмаза является углерод. Будь то природный алмаз или искусственный алмаз, независимо от того, какой алмаз, он будет содержать больше или меньше примесей. Алмаз обычно содержит примеси азота. По разнице содержания азота в кристалле алмаза алмаз можно разделить на два типа (алмаз I типа и алмаз II типа).
Классификация алмазов
Распределение орбитального электронного облака гибридного алмаза, атомная структура и структура элементарной ячейки
В последние годы углеродные материалы представляют собой очень актуальную тему исследований. XXI век также известен как «углеродный век». Углеродные материалы широко используются в различных областях благодаря своим выдающимся характеристикам, особенно в новых стратегических отраслях промышленности. Графен и углеродные наноматериалы, углеродные волокна и их композиционные материалы, алмазы, углеродные пленки и традиционные углеродные материалы (технический углерод, пористый углерод, графит, специальный графит и др.) имеют широкие перспективы применения в литиевых батареях, конденсаторах, накопителях энергии, фотовольтаика, полупроводники, оптоэлектронные дисплеи, связь 5G, датчики, авиация общего назначения, транспорт будущего, высокотехнологичное оборудование и другие области.
2. Структура и свойства cBN.
Кубический нитрид бора (cBN) — вторая по величине разновидность сверхтвердых материалов. Химическая структура нитрида бора — BN, который состоит из двух элементов: бора и азота. Нитрид бора имеет четыре различные кристаллические структуры, в основном гексагональный нитрид бора (hBN), кубический нитрид бора (cBN), ромбоэдрический нитрид бора (rBN) и плотный гексагональный нитрид бора (wBN). В hBN и rBN атомы азота и атомы бора гибридизуются в режиме SP2, тогда как в cBN и wBN атомы азота и атомы бора гибридизуются в режиме SP3.
Несколько разных марок монокристаллов cBN одной компании (с сайта компании). Твердость cBN немного ниже, чем у алмаза, а цвет разнообразен. Цвет кристалла зависит от типа и количества содержащихся примесей. cBN обладает уникальными оптоэлектронными свойствами. Синтез крупногабаритных высококачественных монокристаллов cBN является неизбежным выбором для получения функциональных устройств. Однако кристаллы cBN большого размера гораздо менее успешны, чем алмазы. Возможно, это связано с тем, что условия синтеза крупнозернистого cBN более жесткие, и его применение не нашло подходящей области. Применение сверхтвердых материалов 1. Основные виды изделий из сверхтвердых материалов Сверхтвердые материалы, изделия из них и инструменты широко используются в промышленности. Они не только решают проблему, которую традиционные инструменты не могут обрабатывать или их трудно обрабатывать, но также значительно повышают эффективность традиционной обработки и значительно сокращают потребление и выбросы отходов. Несколько изделий и инструментов из сверхтвердых материалов (а. Лезвия; б. Шлифовальные круги; в. Пильные полотна; г. Сверла). К основным типам изделий и инструментов из сверхтвердых материалов относятся режущие инструменты, абразивы (в том числе абразивы на связке, абразивы с покрытием и сыпучие абразивы). ), режущие инструменты, инструменты для сверления, инструменты для правки, матрицы для волочения проволоки, другие инструменты и различные функциональные компоненты. 2. Природные алмазы и искусственные алмазы (1) Природные алмазы Алмазы, полученные из природных алмазов, называются природными алмазами. Природные бриллианты яркие, великолепные, редкие и драгоценные, и люди ценят их. Есть рекламный слоган «Бриллианты вечны, и один бриллиант будет длиться вечно», который известен каждому в моей стране. Помимо использования в качестве ювелирных изделий, природные алмазы чаще используются в промышленности. Промышленное использование алмазов издавна основывалось на их чрезвычайно высокой твердости. Алмазные ножи для резки стекла напоминают нам об использовании алмазов для изготовления сверл для геологоразведочных работ, добычи нефти и угля. Алмазы в различной степени подвергаются реакциям окисления с кислородом при высоких температурах, особенно с железом, и не пригодны для обработки черных металлов. (2) Искусственные алмазы Искусственные алмазы в промышленности часто называют выращенными в лаборатории бриллиантами или культивированными алмазами. Крупные частицы или крупные монокристаллы искусственных алмазов использовались для обработки ювелирных изделий с синтетическими бриллиантами. Искусственные алмазы — это также настоящие бриллианты, имеющие тот же состав и структуру, что и природные алмазы. Их можно отличить только специальными методами, например, под катодным люминометром: текстура роста первого имеет геометрическую форму, а второго - кольцеобразную. С 2006 года ювелирные учреждения, такие как GIA, начали предоставлять услуги по идентификации и выдавать сертификаты, главным образом для того, чтобы не дать торговцам продавать синтетические бриллианты по более низкой цене под видом природных бриллиантов. В прошлом исследователи алмазной отрасли искали способы эффективного синтеза искусственных алмазов, но прорыва не произошло. Двумя основными препятствиями являются затраты и производственные факторы. После десятилетий исследований созрела технология синтеза крупных монокристаллических алмазов методом сверхвысокого давления и высоких температур в условиях статического катализатора. Моя страна добилась быстрого прогресса в разработке и применении крупных монокристаллических искусственных алмазов, синтезированных методом сверхвысокого давления и высоких температур, а также технологии синтеза искусственных алмазов методом микроволново-плазменного CVD. Ювелирные изделия с синтетическими бриллиантами проданы на рынке и начали обретать форму. 3. Основные области применения cBN По сравнению с алмазом cBN обладает уникальными преимуществами, такими как высокая термическая стабильность и химическая инертность по отношению к элементам семейства железа. В настоящее время существует два основных применения cBN: одно — для производства абразивных инструментов, а другое — для изготовления поликристаллического кубического нитрида бора в качестве инструментального материала. Таким образом, cBN обладает уникальными возможностями обработки материалов из черных металлов и предоставляет новые инструменты для обработки твердых и вязких материалов на основе железа, которые трудно обрабатывать. Основные области применения cBN следующие: (1) Используется в качестве абразивного инструментального материала. Его можно использовать для обработки как материалов на основе железа, так и материалов из цветных металлов. (2) Используется в качестве инструментального материала. Материалом, используемым для режущих инструментов, обычно является поликристаллический кубический нитрид бора. PcBN представляет собой микропорошок, полученный из монокристалла cBN. Его изготавливают путем добавления карбида титана, кобальта и других клеев, а затем спекания под высоким давлением и высокой температурой с помощью шестистороннего верхнего пресса. Он особенно эффективен при обработке железа и его сплавов и особенно подходит для высокоскоростной и сухой резки. Он также может заменить шлифование токарной и фрезерной обработкой, что значительно повышает эффективность производства.
(3) Используется в качестве функциональных материалов. cBN с высокой теплопроводностью может использоваться в оптоэлектронных функциональных устройствах. Сверхтвердые материалы представляют собой небольшую разновидность среди множества различных материалов, но они являются незаменимым материалом и могут постепенно заменить некоторые другие материалы.
