Come suggerisce il nome, i materiali superduri sono materiali con durezza estremamente elevata. In generale, il diamante ha la durezza più alta, con una durezza Mohs di 10, e il cBN è leggermente inferiore al diamante, quindi i materiali superduri di solito si riferiscono al diamante e al cBN, o ai materiali compositi costituiti da questi due materiali come componenti principali. La durezza dei quattro tipi di materiali duri utilizzati come "denti industriali", corindone, SiC, carburo cementato e acciaio ad alta velocità, è molto inferiore alla durezza del diamante e del cBN, quindi i materiali superduri sono anche chiamati i più duri e affilati "denti industriali" o "re dei materiali". Struttura e proprietà dei materiali superduri 1. Struttura e proprietà del diamante Come altri materiali a base di carbonio, la composizione chimica principale del diamante è il carbonio. Che si tratti di diamante naturale o artificiale, non importa quale tipo di diamante conterrà più o meno impurità. Il diamante generalmente contiene impurità di azoto. A seconda della differenza nel contenuto di azoto nel cristallo di diamante, il diamante può essere diviso in due tipi (diamante di tipo I e diamante di tipo II).
Classificazione del diamante
Distribuzione della nube elettronica orbitale ibrida del diamante, struttura atomica e struttura della cellula unitaria
Negli ultimi anni, i materiali in carbonio sono un tipo di materiale con un argomento di ricerca molto caldo. Il 21° secolo è anche conosciuto come “l’era del carbonio”. I materiali in carbonio sono ampiamente utilizzati in vari campi grazie alle loro prestazioni eccezionali, in particolare nell'applicazione delle industrie emergenti strategiche nazionali. I nanomateriali di grafene e carbonio, le fibre di carbonio e i loro materiali compositi, i diamanti, le pellicole a base di carbonio e i tradizionali materiali di carbonio (nero di carbonio, carbonio poroso, grafite, grafite speciale, ecc.) hanno ampie prospettive di applicazione nelle batterie al litio, nei condensatori, nello stoccaggio di energia, fotovoltaico, semiconduttori, display optoelettronici, comunicazioni 5G, sensori, aviazione generale, trasporti futuri, apparecchiature di fascia alta e altri campi.
2. Struttura e proprietà del cBN
Il nitruro di boro cubico (cBN) è la seconda più grande varietà di materiali superduri. La struttura chimica del nitruro di boro è BN, che è composta da due elementi: boro e azoto. Il nitruro di boro ha quattro diverse strutture cristalline, principalmente nitruro di boro esagonale (hBN), nitruro di boro cubico (cBN), nitruro di boro romboedrico (rBN) e nitruro di boro esagonale denso (wBN). In hBN e rBN, gli atomi di azoto e gli atomi di boro sono ibridati in modalità SP2, mentre in cBN e wBN, gli atomi di azoto e gli atomi di boro sono ibridati in modalità SP3.
Diverse marche diverse di cristalli singoli cBN di una determinata azienda (dal sito web dell'azienda) La durezza del cBN è leggermente inferiore a quella del diamante e il colore è diverso. Il colore del cristallo è legato al tipo e alla quantità di impurità contenute. Il CBN ha proprietà optoelettroniche uniche. La sintesi di cristalli singoli di cBN di grandi dimensioni e di alta qualità è una scelta inevitabile per ottenere applicazioni di dispositivi funzionali. Tuttavia, i cristalli di cBN di grandi dimensioni hanno molto meno successo dei diamanti. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che le condizioni per la sintesi del cBN a grana grossa sono più rigorose e la sua applicazione non ha trovato un campo adatto. Applicazione di materiali superduri 1. Principali tipi di prodotti in materiali superduri I materiali superduri e i relativi prodotti e strumenti sono stati ampiamente utilizzati nell'industria. Non solo risolvono il problema che gli strumenti tradizionali non possono essere lavorati o sono difficili da lavorare, ma migliorano anche significativamente l'efficienza della lavorazione tradizionale e riducono significativamente i consumi e le emissioni di rifiuti. Diversi prodotti e strumenti in materiali superduri (a. Lame; b. Mole; c. Lame per seghe; d. Punte da trapano) I principali tipi di prodotti e strumenti in materiali superduri includono utensili per seghe, abrasivi (compresi abrasivi legati, abrasivi rivestiti e abrasivi sfusi ), utensili da taglio, utensili di perforazione, utensili di ravvivatura, matrici per trafilatura, altri utensili e diversi componenti funzionali. 2. Diamanti naturali e diamanti artificiali (1) Diamanti naturali I diamanti ottenuti da diamanti naturali sono detti diamanti naturali. I diamanti naturali sono luminosi, splendidi, rari e preziosi e sono considerati preziosi dalle persone. C'è uno slogan pubblicitario "I diamanti sono per sempre e un diamante durerà per sempre" che è noto a tutti nel mio paese. Oltre ad essere utilizzati in gioielleria, i diamanti naturali sono più spesso utilizzati nell’industria. L'uso industriale dei diamanti si basa da tempo sulla loro durezza estremamente elevata. I coltelli diamantati per il taglio del vetro ci ricordano l'uso dei diamanti per realizzare punte da trapano per l'esplorazione geologica e l'estrazione di petrolio e carbone. I diamanti subiscono vari gradi di reazioni di ossidazione con l'ossigeno ad alte temperature, soprattutto con il ferro, e non sono adatti alla lavorazione dei metalli ferrosi. (2) Diamanti artificiali Nell'industria i diamanti artificiali vengono spesso definiti diamanti coltivati in laboratorio o diamanti coltivati. Grandi particelle o grandi cristalli singoli di diamanti artificiali sono stati utilizzati per lavorare gioielli con diamanti sintetici. I diamanti artificiali sono anche diamanti veri, con la stessa composizione e struttura dei diamanti naturali. I due possono essere distinti solo con metodi molto speciali, ad esempio sotto un luminometro a catodo, la trama di crescita del primo è geometrica, mentre il secondo è a forma di anello. Dal 2006, istituti di gioielleria come il GIA hanno iniziato a fornire servizi di identificazione ed emettere certificati, principalmente per impedire ai commercianti di vendere diamanti sintetici a basso prezzo come diamanti naturali. In passato, i ricercatori dell’industria dei diamanti hanno cercato modi per sintetizzare in modo efficiente i diamanti artificiali, ma senza alcun risultato. I due ostacoli principali provengono dai fattori di costo e di produzione. Dopo decenni di ricerca, è maturata la tecnologia di sintesi del diamante monocristallino di grandi dimensioni mediante il metodo ad altissima pressione e alta temperatura in condizioni di catalizzatore statico. il mio paese ha compiuto rapidi progressi nello sviluppo e nell'applicazione di grandi diamanti artificiali monocristallini sintetizzati con il metodo ad altissima pressione e alta temperatura, nonché nella tecnologia di sintesi del diamante artificiale con il metodo CVD al plasma a microonde. I gioielli con diamanti sintetici sono stati venduti sul mercato e hanno iniziato a prendere forma. 3. Principali applicazioni del cBN Rispetto al diamante, il cBN presenta vantaggi unici, come l'elevata stabilità termica e l'inerzia chimica con gli elementi della famiglia del ferro. Attualmente ci sono due usi principali del cBN: uno è quello di produrre utensili abrasivi, e l'altro è quello di produrre nitruro di boro cubico policristallino come materiale per utensili. Pertanto, cBN ha caratteristiche uniche nella lavorazione di materiali metallici ferrosi e fornisce nuovi strumenti di lavorazione per materiali duri e tenaci a base di ferro difficili da lavorare. Le principali applicazioni del CBN sono le seguenti: (1) Utilizzato come materiale per utensili abrasivo. Può essere utilizzato per la lavorazione sia di materiali a base ferrosa che di materiali metallici non ferrosi. (2) Utilizzato come materiale per utensili. Il materiale utilizzato per gli utensili da taglio è generalmente nitruro di boro cubico policristallino. PcBN è una micropolvere preparata da un singolo cristallo di cBN. È realizzato aggiungendo carburo di titanio, cobalto e altri adesivi, quindi sinterizzandolo ad alta pressione e alta temperatura utilizzando una pressa superiore a sei lati. È particolarmente efficace nella lavorazione dei metalli ferrosi e delle loro leghe, ed è particolarmente adatto al taglio ad alta velocità e al taglio a secco. Può anche sostituire la rettifica con tornitura e fresatura, migliorando notevolmente l'efficienza produttiva.
(3) Utilizzati come materiali funzionali. Il CBN ad alta conduttività termica può essere utilizzato in dispositivi funzionali optoelettronici. I materiali superduri sono una piccola varietà tra molti materiali diversi, ma sono un materiale insostituibile e possono gradualmente sostituire alcuni altri materiali.
