Materiale super duro

Un materiale è detto superduro , o ultraduro , quando la sua durezza Vickers supera i 40 gigapascal . Sono solidi con compressibilità molto bassa, alta densità elettronica e con forti legami chimici covalenti . A causa delle loro proprietà uniche, questi materiali sono di grande interesse per molte applicazioni industriali, inclusi abrasivi, strumenti di taglio e lucidatura o rivestimenti protettivi.

Il diamante è uno dei materiali più duri conosciuti fino ad oggi, con una durezza Vickers nel range di 70- 150 GPa (nel 2009 un gruppo di ricerca internazionale ha dimostrato che lonsdaleite in grado di sopportare una pressione di 58% superiore al diamante). Ha sia una buona conduttività termica che una bassa conduttività elettrica . Sono stati fatti molti sforzi per sfruttarne le proprietà. Tuttavia, il diamante soffre di diversi inconvenienti tra cui il suo alto costo e problemi di ossidazione sopra gli 800 °C . Inoltre è solubile nel ferro e forma carburi di ferro ad alte temperature; è quindi inutilizzabile per il taglio di materiali ferrosi, compreso l' acciaio . Ecco perché la ricerca sui materiali superduri si è concentrata sullo sviluppo di composti più stabili termicamente e chimicamente del diamante puro.

I materiali superduri sono generalmente classificati in due categorie: intrinseci ed estrinseci . Il gruppo di elementi intrinseci comprende diamante, nitruro di boro cubico (c-BN), nitruri di carbonio e composti ternari BNC che sono naturalmente duri allo stato sfuso. Al contrario, la durezza e altre proprietà meccaniche degli estrinseci sono determinate dalla loro microstruttura più che dalla loro composizione chimica. Il diamante nanocristallino sotto forma di nanopilastro è un esempio di materiale estrinseco superduro.

I materiali superduri spesso possono essere sintetizzati solo in queste condizioni di alte temperature e alte pressioni. Lo sviluppo di metodi sintetici a minor costo fa parte delle attività di ricerca in questo campo.

Definizioni e misure di durezza

Nella scienza dei materiali esistono definizioni precise e protocolli di misura che consentono di quantificare l'intuitiva nozione di “durezza”. Nel caso dei materiali cosiddetti “ultra-duri”, siamo generalmente interessati non solo alla durezza stessa, ma anche ad altre proprietà meccaniche del materiale: i moduli elastici che ne caratterizzano il comportamento elastico, e la tenacità che ne caratterizza il resistenza alla frattura. Queste diverse proprietà sono più o meno correlate ma comunque ben distinte, e consentono una caratterizzazione più completa del materiale.

Scale di durezza

Storicamente, la durezza è stata definita per la prima volta dalla capacità di un materiale di graffiare un altro e quantificata da un numero intero o talvolta semiintero ; questa è la scala di Mohs . Ma il carattere troppo discreto e non lineare di questa scala è stato subito evidenziato.

La misurazione della durezza viene oggi effettuata secondo diverse scale, le principali sono le scale di Vickers , Brinell , Rockwell , Knoop . I dettagli del protocollo ei campi di applicazione variano da una scala all'altra, ma il principio è sempre lo stesso: si preme con un "penetratore" sul materiale da testare con una determinata forza. Il valore della durezza viene quindi dedotto dalla dimensione dell'impronta lasciata dal penetratore nel materiale. Il penetratore deve essere realizzato con un materiale molto più duro del materiale da testare, tipicamente il diamante.

La scala Vickers è ora ampiamente accettata come il test più comune. La misurazione viene effettuata con una normale punta di diamante piramidale a base quadrata e angolo in alto tra le facce pari a 136°. Anche la forza e la durata del supporto sono normalizzate. L'impronta ha quindi la forma di un quadrato; le due diagonali e di questo quadrato sono misurate mediante un dispositivo ottico. Il valore si ottiene facendo la media di e . Questo è quello che verrà utilizzato per il calcolo della durezza rilevata secondo la relazione $d_1$ $d_2$ $d$ $d_1$ $d_2$ $d$ ${\ stile di visualizzazione H _ {\ testo {V}}}$

{\ displaystyle H _ {\ text {V}} = 0,189 \ cdot {\ frac {F} {d ^ {2}}}}

con

${\ stile di visualizzazione H _ {\ testo {V}}}$ = durezza Vickers = forza applicata [N] = media delle diagonali di rientro [mm]
$F$
$d$

Tuttavia, misurare la durezza dei materiali ultraduri può essere particolarmente difficile se si avvicina o addirittura supera la durezza del materiale del penetratore. È quindi facile fare interpretazioni errate e occorre prestare particolare attenzione nella misurazione. Questa deve essere eseguita più volte con carichi diversi, ed è il comportamento asintotico per i carichi forti che viene considerato come il valore della durezza, cioè il valore ottenuto quando il modo di deformazione plastica è completamente stabilito. Senza queste precauzioni, la durezza può essere facilmente sopravvalutata.

Durezza Vickers di vari materiali

Materiale	Diamante	BC 2 N c	BN c	OsB 2	SI 4 DO	ReB 2
Durezza Vickers (GPa)	115	76	48	37	30	22

Proprietà elastiche

L'incomprimibilità di un materiale è quantificata dal suo modulo di incomprimibilità isostatica , generalmente indicato con o , che misura la sua resistenza ad una variazione di volume per effetto della pressione isostatica . È definito da , dove V è il volume e P è la pressione. La misurazione di questo modulo può essere effettuata anche con un penetratore. Gli elementi con basso volume molare ed elevate forze interatomiche hanno solitamente un alto modulo di incomprimibilità. Questo test è stato il primo ad essere utilizzato come misura della durezza. È stato dimostrato che è correlato al volume molare e all'energia coesiva per . Si riteneva che il modulo di incomprimibilità potesse essere utilizzato come misura diretta della durezza, ma questa idea è ormai praticamente abbandonata. Ad esempio, alcali e metalli nobili (Pd, Ag) hanno rapporti anormalmente elevati tra modulo di incomprimibilità e durezza Vickers o Brinell. All'inizio degli anni 2000, è stata dimostrata una relazione diretta tra il modulo di incomprimibilità e la densità elettronica di valenza: più elettroni di valenza ci sono, più esercitano forze repulsive nella struttura tra due. . Il modulo di incomprimibilità è ancora utilizzato come misura preliminare della superdurezza di un materiale, ma è ormai noto che altre proprietà devono essere prese in considerazione. I materiali duri hanno un alto modulo di incomprimibilità, ma al contrario un alto modulo di incomprimibilità non significa necessariamente che il materiale sia duro. $B$ $K$ ${\ displaystyle V \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V}$ ${\ displaystyle B ~ E _ {\ text {c}} / V _ {\ text {m}}}$

A differenza del modulo di incomprimibilità, il modulo di taglio misura la resistenza di un materiale a un cambiamento di forma senza un cambiamento di volume sotto l'effetto dello sforzo di taglio. È definito come il rapporto tra sollecitazione e deformazione di taglio per cui F è la forza applicata, A è la superficie su cui viene applicata la forza, d x è lo spostamento risultante e L è la lunghezza iniziale. Il modulo di taglio è correlato al modulo di incomprimibilità isostatica tramite il rapporto di Poisson tramite la relazione 3 / G = 2 B · (1–2 v ) · (1+ v ) . Per i materiali covalenti, il rapporto di Poisson è tipicamente dell'ordine di 0,1. Se un materiale contiene legami chimici molto direzionali, avrà un alto modulo di taglio e un basso coefficiente di Poisson. Il modulo di taglio può avere una migliore correlazione con la durezza rispetto al modulo di incomprimibilità. ${\ displaystyle G = F \ cdot L / (A \ cdot \ mathrm {d} x)}$

Tenacia

Anche la tenacità , cioè la capacità di un materiale di resistere alla frattura sotto l'effetto di un urto, è correlata alla durezza. Tuttavia, un materiale superduro non è necessariamente "super resistente". Ad esempio, la tenacità del diamante è di circa 7-10 MPa · m 1/2 , che è grande rispetto ad altre pietre preziose o ceramiche, ma bassa rispetto a molti metalli e leghe - l'acciaio e le leghe di alluminio hanno almeno valori di tenacità cinque volte maggiore.

I materiali covalenti hanno generalmente grandi costanti di rigidità associate alla flessione dei legami chimici e un elevato modulo di taglio; sono generalmente materiali più duri rispetto, ad esempio, ai solidi ionici.

Un materiale è anche considerato superduro se resiste alla deformazione plastica. In un materiale con legami covalenti corti, le dislocazioni coinvolte in una deformazione plastica si formano meno facilmente che in materiali con legami lunghi o delocalizzati. Se un materiale contiene legami delocalizzati, probabilmente sarà morbido.

Diamante

Il diamante è un allotropo del carbonio in cui gli atomi sono disposti in una versione modificata di un reticolo cubico (fcc) chiamato struttura del diamante . È noto per la sua durezza, la sua incomprimibilità ed è oggetto di ricerca per possibili applicazioni per le sue proprietà ottiche ed elettriche. Essendo le proprietà dei diamanti naturali troppo variabili per le esigenze dell'industria, la produzione di diamanti sintetici è diventata un importante argomento di ricerca.

Diamante sintetico

La sintesi del diamante ad alta pressione nel 1953 in Svezia e nel 1954 negli Stati Uniti, resa possibile dallo sviluppo di nuove tecniche e strumenti, fu un'importante pietra miliare per la sintesi di materiali superduri. Questa sintesi ha dimostrato chiaramente il potenziale delle alte pressioni per applicazioni industriali e ha stimolato l'interesse in questo settore di ricerca. Quattro anni dopo la prima sintesi del diamante artificiale, è stato prodotto il nitruro di boro cubico c-BN, che diventa il secondo materiale più duro.

Il diamante sintetico esiste come un singolo cristallo, o forma policristallina, con diversi grani separati da bordi di grano. I grani sono visibili ad occhio nudo grazie alle proprietà di assorbimento della luce e dispersione. La durezza del diamante sintetico è compresa tra 70 e 150 GPa ; dipende molto fortemente dalla purezza del cristallo. Più difetti nella struttura, più duro è il diamante. È stato dimostrato che il diamante sintetico, sia in forma di cristallo singolo che in forma aggregata, prodotto ad alte pressioni e temperature elevate può essere più duro del diamante naturale.

Storicamente, si credeva che il diamante sintetico dovesse essere strutturalmente perfetto per essere utile. Ciò è dovuto al fatto che i diamanti erano particolarmente apprezzati per le loro qualità estetiche e che piccoli difetti nella struttura o nella composizione sono visibili ad occhio nudo. Anche se questo è vero, le proprietà associate a piccoli cambiamenti hanno portato a nuove e interessanti applicazioni del diamante sintetico. Ad esempio, il drogaggio del diamante con azoto migliora le proprietà meccaniche. D'altra parte, quando è pesantemente drogato con boro (pochi punti percentuali), diventa un superconduttore covalente.

Nitruro di boro cubico

Sintesi

Il nitruro di boro c cubico-BN è stato sintetizzato per la prima volta nel 1957 da Robert H. Wentorf (in) alla General Electric , poco dopo la sintesi del primo diamante artificiale. Il processo generico per questa sintesi è la dissoluzione del nitruro di boro esagonale (h-BN) in un solvente catalizzatore , solitamente un alcali, alcalino terroso o loro nitruro, seguito dalla nucleazione spontanea di c-BN in condizioni di alte temperature e alte pressioni . La resa di una sintesi è inferiore, e la sintesi è complessivamente più lenta del diamante a causa della complessità dei passaggi intermedi.

Il nitruro di boro cubico puro è trasparente o leggermente ambrato. Può avere diversi colori con un eccesso o un difetto di boro (meno dell'1%). I difetti possono essere prodotti drogando il solvente-catalizzatore (es. Mg, Ca o nitruro di Li) con Al, B, Ti o Si. Ciò provoca un cambiamento nella morfologia e nel colore dei cristalli; i cristalli sono più opachi, più grandi (500 μm ), hanno forme migliori e la resa di sintesi è migliore.

Struttura e proprietà

Il nitruro di boro cubico adotta la struttura della sfalerite. La lunghezza del legame BN corto ( 1.57 Å ) è molto vicina a quella del legame CC del diamante ( 1.54 Å ), risultando in un legame fortemente covalente, come nel diamante. Sono leggermente meno covalenti in BN, riducendo la durezza da circa 100 GPa per il diamante a 48 GPa per c-BN. Proprio come il diamante è meno stabile della grafite, c-BN è meno stabile della forma esagonale h-BN, ma la velocità di conversione da fase a fase è trascurabile a temperatura ambiente.

La sua insolvenza nel ferro e in altri metalli lo rende un materiale più utile del diamante per determinate applicazioni.

Il nitruro di boro cubico è insolubile in ferro, nichel e leghe correlate, ma si lega facilmente ai metalli a causa della formazione di strati intermedi di nitruri e boruri metallici. È anche insolubile nella maggior parte degli acidi, è solubile nei sali alcalini fusi come LiOH, KOH, NaOH / Na 2 CO 3 o NaNO 3 che vengono utilizzati per l'attacco chimico del c-BN. Grazie alla sua stabilità termica e chimica con i metalli, c-BN supera il diamante nelle applicazioni meccaniche. La conduttività termica di c-BN è tra i più grandi di tutti gli isolanti elettrici. Inoltre, c-BN è costituito unicamente da elementi leggeri, e assorbe quindi raggi X molto debolmente , il che è vantaggioso per la fabbricazione di membrane e maschere per radiografie .

Ricerca e sviluppo

Con le sue eccellenti proprietà chimiche e meccaniche, c-BN ha una vasta gamma di applicazioni per abrasivi, utensili da taglio ed è persino uno dei materiali preferiti per le finestre a raggi X - qui le sue proprietà meccaniche consentono di ridurre lo spessore della finestra senza rompersi essa, che limita l'assorbimento dei raggi X . Ogni anno vengono prodotte diverse centinaia di tonnellate di c-BN. Il Bozaron, un marchio statunitense di c-BN viene utilizzato nell'industria per gli utensili di formatura perché sopporta temperature superiori a 2000 °C . Le mole con rivestimento in c-BN, chiamate mole Borazon, sono comunemente utilizzate per la lavorazione di metalli ferrosi duri, ferri temprati e superleghe a base di nichel o cobalto. È anche commercializzato con altri marchi, come Elbor o Cubonite, da venditori russi.

Nuovi approcci di ricerca si concentrano sul miglioramento dei processi di sintesi. Attualmente, gli strumenti sintetici sono limitati a 6 GPa . L'aumento di questo intervallo di pressione consentirà la sintesi di cristalli singoli più grandi rispetto alle attuali sintesi catalitiche. L'uso di solventi in condizioni supercritiche consente di ridurre la pressione richiesta.

L'alto costo del c-BN limita ulteriormente le sue applicazioni, il che sta guidando lo sviluppo di altri materiali superduri.

Nitruro di carbonio

La struttura del nitruro di carbonio C 3 N 4 è stata proposta teoricamente nel 1985. Questo composto, isostrutturale con Si 3 N 4 , era secondo calcoli più duro del diamante, con un legame chimico di 1,47 Å , 5% più corto del legame CC di il diamante. Calcoli successivi hanno previsto che il modulo di taglio fosse del 40% inferiore a quello del diamante e che il nitruro di carbonio fosse più morbido del nitruro di boro c-BN.

Nonostante due decenni di tentativi, nessun campione ha confermato le previsioni di durezza, che è attribuita alla difficoltà di sintesi e all'instabilità del composto. Il nitruro di carbonio è stabile solo a pressioni superiori a quella della trasformazione grafite-diamante. Le condizioni di sintesi richiedono quindi pressioni estremamente elevate perché il carbonio ha una coordinazione di quattro o sei. Inoltre, C 3 N 4 porrebbe problemi di formazione di carburi se fosse utilizzato per la lavorazione di materiali ferrosi. Sebbene sia stata riportata la sintesi di C 3 N 4 , la sua superdurezza non è stata dimostrata.

Boro e nitruri di carbonio

I raggi atomici simili di boro , carbonio e azoto , nonché l'esistenza di polimorfi simili di carbonio e nitruro di boro, suggeriscono la possibilità di sintetizzare fasi strutturalmente simili contenenti tutti e tre gli elementi. È anche possibile realizzare composti del tipo BCO, BON o BCON ad alte pressioni, ma la loro sintesi richiederebbe una chimica complessa e inoltre le loro proprietà elastiche sarebbero a priori inferiori a quelle del diamante.

All'inizio degli anni '90 , molti sforzi sono stati dedicati allo studio della fattibilità della sintesi di fasi BCN dense. Si prevede che siano chimicamente e termicamente più stabili del diamante e più duri del c-BN, il che li renderebbe ottimi materiali per il taglio e la lucidatura ad alta velocità di leghe ferrose. Queste proprietà sono spiegate da una struttura simile a quella del diamante combinata con i legami chimici sp3 che il carbonio forma con altri atomi. $\ sigma$

Film sottili di BC x N y sono stati sintetizzati mediante deposizione chimica da vapore nel 1972. Tuttavia, i dati presentati da vari autori su questi tentativi di sintesi in fase densa sono contraddittori. L'esatta natura dei prodotti di queste sintesi non è stata decisa, tra soluzioni solide di carbonio e BN con struttura a diamante, o una miscela di diamante fortemente dispersa in c-BN. Nel 2001, c-BC 2 N di struttura simile al diamante è stato sintetizzato a pressioni e temperature superiori rispettivamente a 18 GPa e 2200 K mediante una reazione in fase solida di (BN) 0,48 C 0,52 di struttura di grafite. Le durezze Vickers e Knoop riportate sono intermedie tra quelle del diamante e del c-BN, il che lo rende il secondo materiale più duro. Le fasi ternarie BCN possono essere ottenute anche utilizzando onde d'urto. È stato anche suggerito di estendere questa idea a un sistema quaternario, compreso il silicio.

Limiti metallici

A differenza dei composti a base di carbonio, i boruri metallici possono essere sintetizzati in grandi quantità in condizioni ambientali, il che rappresenta un vantaggio tecnologico significativo. Alcuni esempi sono RuB 2 , OsB 2 e ReB 2 . La densità di stato elettronico di questi materiali rivela il loro carattere metallico, ma la forte covalenza dei legami BB e MB (M è il metallo) conferisce loro una grande durezza. Metalli come osmio, renio o tungsteno sono preferiti a causa della loro elevata densità elettronica, basso raggio atomico, modulo di incomprimibilità e legami chimici fortemente direzionali con il boro. I legami MB contribuiscono a questo a causa della sovrapposizione tra gli orbitali d dei metalli di transizione e gli orbitali p del boro.

Osmio diboruro OsB 2

Il diboruro di osmio OsB 2 ha un elevato modulo di incomprimibilità di 395 GPa, ed è quindi considerato un buon candidato, ma la massima durezza Vickers ottenuta è 37 GPa , leggermente al di sotto del limite di superdurezza di 40 GPa . Il modo usuale per sintetizzarlo è mediante una reazione di metatesi allo stato solido con una miscela di OsCl 3 : MgB 2 in un rapporto 2: 3. Dopo la rimozione del MgCl 2 prodotto, la diffrazione ai raggi X indica la presenza di OsB 2 , OsB e Os. Riscaldare questi prodotti a 1000 °C per tre giorni produce OsB 2 puro in forma cristallina. OsB 2 ha una struttura cristallina ortorombica (gruppo spaziale Pmmn) con due piani formati da atomi di osmio separati da uno strato non planare di coordinazione 6 atomi di boro . I parametri della maglia sono un = 4.684 Å , b = 2,872 Å e c = 4,096 Å . L'asse b e l'asse c sono rispettivamente le direzioni più comprimibile e meno comprimibile. Questo può essere spiegato dalla struttura ortorombica. Se osserviamo la disposizione degli atomi di boro e osmio nelle direzioni a e b, vediamo che sono disposti in modo tale da essere spostati tra loro, in modo che quando comprimiamo il cristallo in queste direzioni , gli atomi non sono spinti direttamente l'uno contro l'altro. Tuttavia, è la repulsione elettrostatica che massimizza l'incomprimibilità del composto, e qui non è sfruttata appieno. Quando invece il cristallo è compresso lungo l'asse c, gli atomi di osmio e boro sono praticamente allineati e la repulsione elettrostatica è forte, rendendo l'asse c la direzione meno comprimibile.

Questo semplice modello suggerisce che se gli atomi di boro fossero distribuiti in modo più uniforme, l'incomprimibilità potrebbe essere maggiore. La diffrazione elettronica accoppiata alle misurazioni della durezza nel piano (010) mostrano che il cristallo è più duro del 54% nella direzione <100> rispetto alla direzione <001>. Questo può essere visto osservando la forma della rientranza in diverse direzioni. Oltre all'allineamento degli atomi, l'anisotropia è dovuta anche alla presenza di brevi legami BB ( 1.80 Å ) in direzione <001>, mentre sono assenti in direzione <100> (BB = 4.10 Å ).

Boruri di renio

Il renio è stato identificato come un buon candidato per i materiali ultraduri a causa delle sue proprietà fisico-chimiche attraenti. Ha un'alta densità di elettroni, un piccolo raggio atomico e un alto modulo di incomprimibilità. Combinato con il boro, forma cristalli fortemente covalenti, che gli consentono di essere molto poco comprimibile e potenzialmente molto duro. È stata esplorata un'ampia gamma di boruri di renio tra cui Re 3 B, Re 7 B 3 , Re 2 B, ReB, Re 2 B 3 , Re 3 B 7 , Re 2 B 5 , ReB 3 e ReB 2 . Ogni composto ha il proprio insieme di proprietà, ma quando si tratta di superdurezza il più rilevante è ReB 2 .

Il diboruro renio ReB 2 è un refrattario composito sintetizzato per la prima volta negli anni '60 utilizzando forni elettrici ad arco o fusione a zone. Questo materiale può per esempio essere sintetizzato con il metodo del flusso, in cui il metallo renio e il boro amorfo sono quadrati in un crogiolo in allumina con un eccesso di alluminio. Questo può essere fatto in un rapporto Re: B: Al di 1: 2: 50, utilizzando l'alluminio in eccesso come mezzo di crescita. Il crogiolo viene posto in un tubo di allumina, inserito in un forno resistivo sotto un flusso di argon e portato a 1400 °C. per diverse ore. Dopo il raffreddamento, l'alluminio viene sciolto nella soda. Ogni metodo di sintesi ha i suoi vantaggi e svantaggi, e questo produce piccole inclusioni di alluminio incorporate nel cristallo.

Il diboruro di renio ha un punto di fusione molto alto che si avvicina a 2400 ° C e una struttura cristallina lamellare molto anisotropa. Può assumere una struttura esagonale (gruppo spaziale P6 3 mc ) o ortorombica (C mcm ) a seconda della fase. In questo caso si alternano strati di atomi di renio compatti e strati ripiegati di atomi di boro che formano triangoli nel piano (001), in una struttura simile a quella del diboruro di osmio. La densità di stato di ReB 2 è una delle più basse tra i boruri metallici, indicando forti legami covalenti e buona durezza.

A causa della natura molto anisotropa di questo materiale, la durezza dipende dall'orientamento del cristallo. Il piano (002) mostra il carattere più covalente e mostra una durezza Vickers massima di 40,5 GPa , mentre quella nei piani perpendicolari è inferiore del 6%, a 38,1 GPa . Questi due valori diminuiscono con il carico utilizzato per il test e si stabilizzano ciascuno a 28 GPa . I valori ottenuti in nanoindentazione sono 36,4 e 34,0 GPa rispettivamente per i piani (002) e per i piani perpendicolari. Il valore della durezza dipende dalla purezza del materiale e dalla sua composizione: maggiore è la concentrazione di boro, più duro è il materiale; i valori sopra riportati corrispondono ad un rapporto Re:B di circa 1:1,85. Il diboruro di renio ha anche un modulo di incomprimibilità di 383 GPa e un modulo di taglio di 273 GPa . La durezza del diboruro di renio e della maggior parte degli altri materiali dipende anche dal carico effettivo utilizzato per il test. I valori riportati sopra 40 GPa sono stati misurati per carichi da 0,5 a 1 N . Con carichi così bassi si sottovalutano anche le durezze di altri materiali; supera, ad esempio, 100 GPa per c-BN. Altri ricercatori, riproducendo l'elevata durezza ottenuta a basso carico, riportati valori molto più bassi nell'intervallo 17- 19 GPa , utilizzando valori di carico convenzionali di 3- 49 GPa . Questo rende ReB 2 un materiale duro, ma non super duro.

Il diboruro di renio mostra una conduttività metallica che aumenta con la diminuzione della temperatura e può essere spiegata da una densità di stato diversa da zero dovuta alla sovrapposizione degli orbitali d e p rispettivamente del renio e del boro. Ad oggi, è l'unico materiale così duro e metallico. Presenta inoltre una stabilità della temperatura relativamente buona. A seconda del metodo di riscaldamento, può mantenere la sua massa fino a temperature di 600-800 °C , con qualche calo di peso dovuto alla perdita di acqua assorbita. Si può osservare una bassa perdita di massa a temperature che si avvicinano ai 1000 °C . L'effetto è migliore quando il riscaldamento è lento. Parte di questa piccola perdita a 1000 °C è stata spiegata dalla formazione di un sottile strato di B 2 O 3 sulla superficie quando il boro viene lisciviato dal solido, che funge da strato protettivo e quindi riduce le perdite di boro. Può essere facilmente sciolto in metanolo per ripristinare l'aspetto lucido del composto originale.

Altri materiali superduri ricchi di boro

Altri materiali duri a base di boro , v'è il B 4 C e B 6 O . Amorphous B 4 C ha una durezza di circa 50 GPa , che è nella gamma superdura. La struttura può essere pensata come cristalli di boro icosaedrici immersi in una matrice amorfa. Tuttavia, quando viene studiato nella sua forma cristallina, la durezza di B 4 C è di soli 30 GPa . Questa forma cristallina ha la stessa stechiometria di B 13 C 3 che consiste in icosaedri di boro legati da boro e atomi di carbonio.

L'ossido di boro B 6 O ha una durezza di circa 35 GPa. La sua struttura contiene otto icosaedri B 12 , situati ai vertici di una cella elementare romboedrica. Due atomi di ossigeno sono nella direzione (111) del romboedro.

Materiali estrinseci superduri

Indurimento ai bordi del grano: effetto Hall-Petch

Una soluzione per aumentare la durezza di un materiale è ridurre il numero di microfessure nella struttura grazie ai bordi dei grani. L'eliminazione delle microfessure consente di moltiplicare la durezza per un fattore da 3 a 7. Questo indurimento al bordo grano è descritto dalla relazione di Hall-Petch :

σ c = σ 0 + k gb / √ d

Qui, σ c indica la tensione di frattura critica, d è la dimensione dei cristalliti e σ 0 e k gb sono costanti.

Tuttavia, la durezza media di un materiale diminuisce quando la granulometria scende al di sotto dei dieci nanometri. Sono stati proposti meccanismi microscopici di scorrimento del bordo grano per spiegare questa tendenza, ma i dettagli dei fenomeni non sono ancora stati compresi.

Eterostrutture

Un altro percorso esplorato è quello delle eterostrutture , ovvero nanostrutture formate da due materiali con moduli elastici molto diversi. Queste eterostrutture furono proposte nel 1970 come un'associazione di strati sottili così ordinati da non poter essere separati con mezzi meccanici. Si prevedeva che fossero più dure di una semplice miscela dei due materiali. Questa teoria è stata confermata su strutture Al/Cu e Al/Ag. Dopo questi primi esempi, gli studi sono stati estesi ai multistrati comprendenti Cu/Ni, TiN/VN, Hf/HfN. In tutti i casi si riscontra che una riduzione del periodo della struttura aumenta la durezza.

Il nanorod di diamante aggregato è un esempio di materiale nanostrutturato superduro. È più duro del diamante a cristallo singolo (~ 150 GPa ) ed è attualmente il materiale più duro conosciuto fino ad oggi.

Note e riferimenti

(fr) Questo articolo è parzialmente o interamente tratto dall'articolo di Wikipedia in inglese intitolato " Materiale superhard " ( vedi l'elenco degli autori ) .

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