Đúng như tên gọi, vật liệu siêu cứng là những vật liệu có độ cứng cực cao. Nói chung, kim cương có độ cứng cao nhất, với độ cứng Mohs là 10 và cBN thấp hơn kim cương một chút, vì vậy vật liệu siêu cứng thường gọi kim cương và cBN, hoặc vật liệu composite làm từ hai vật liệu này làm thành phần chính. Độ cứng của 4 loại vật liệu cứng dùng làm “răng công nghiệp”, corundum, SiC, cacbua xi măng và thép tốc độ cao thấp hơn nhiều so với độ cứng của kim cương và cBN nên vật liệu siêu cứng còn được gọi là cứng nhất và sắc bén nhất. “răng công nghiệp” hay “vua vật liệu”. Cấu trúc và tính chất của vật liệu siêu cứng 1. Cấu trúc và tính chất của kim cương Giống như các vật liệu cacbon khác, thành phần nguyên tố hóa học chủ yếu của kim cương là cacbon. Dù là kim cương tự nhiên hay kim cương nhân tạo thì dù là loại kim cương nào cũng sẽ chứa ít nhiều tạp chất. Kim cương thường chứa tạp chất nitơ. Theo sự khác biệt về hàm lượng nitơ trong tinh thể kim cương, kim cương có thể được chia thành hai loại (kim cương loại I và kim cương loại II).
Phân loại kim cương
Phân bố đám mây điện tử quỹ đạo lai kim cương, cấu trúc nguyên tử và cấu trúc tế bào đơn vị
Trong những năm gần đây, vật liệu cacbon là loại vật liệu có đề tài nghiên cứu rất nóng. Thế kỷ 21 còn được gọi là “Thời đại Carbon”. Vật liệu carbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau do hiệu suất vượt trội của chúng, đặc biệt là trong ứng dụng của các ngành công nghiệp mới nổi mang tính chiến lược quốc gia. Vật liệu nano graphene và carbon, sợi carbon và vật liệu tổng hợp của chúng, kim cương, màng gốc carbon và vật liệu carbon truyền thống (muội carbon, carbon xốp, than chì, than chì đặc biệt, v.v.) có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong pin lithium, tụ điện, lưu trữ năng lượng, quang điện, chất bán dẫn, màn hình quang điện tử, thông tin liên lạc 5G, cảm biến, hàng không chung, giao thông vận tải trong tương lai, thiết bị cao cấp và các lĩnh vực khác.
2. Cấu trúc và tính chất của cBN
Nitrat boron khối (cBN) là loại vật liệu siêu cứng lớn thứ hai. Cấu trúc hóa học của boron nitride là BN, bao gồm hai nguyên tố: boron và nitơ. Boron nitride có bốn cấu trúc tinh thể khác nhau, chủ yếu là boron nitride hình lục giác (hBN), boron nitride khối (cBN), boron nitride hình thoi (rBN) và boron nitride hình lục giác dày đặc (wBN). Trong hBN và rBN, nguyên tử nitơ và nguyên tử boron được lai ở chế độ SP2, trong khi ở cBN và wBN, nguyên tử nitơ và nguyên tử boron được lai ở chế độ SP3.
Một số nhãn hiệu tinh thể đơn cBN khác nhau của một công ty nhất định (từ trang web của công ty) Độ cứng của cBN thấp hơn một chút so với kim cương và màu sắc đa dạng. Màu sắc của tinh thể có liên quan đến loại và lượng tạp chất chứa trong đó. cBN có đặc tính quang điện tử độc đáo. Tổng hợp các tinh thể đơn cBN chất lượng cao, kích thước lớn là một lựa chọn tất yếu để có được các ứng dụng thiết bị chức năng. Tuy nhiên, tinh thể cBN cỡ lớn kém thành công hơn nhiều so với kim cương. Điều này có thể là do các điều kiện để tổng hợp cBN hạt lớn nghiêm ngặt hơn và ứng dụng của nó chưa tìm được lĩnh vực phù hợp. Ứng dụng của vật liệu siêu cứng 1. Các loại sản phẩm vật liệu siêu cứng chủ yếu Vật liệu siêu cứng và các sản phẩm, dụng cụ của chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chúng không chỉ giải quyết vấn đề mà các công cụ truyền thống không thể xử lý hoặc khó xử lý mà còn cải thiện đáng kể hiệu quả của quy trình xử lý truyền thống và giảm đáng kể mức tiêu thụ cũng như lượng khí thải chất thải. Một số sản phẩm và dụng cụ vật liệu siêu cứng (a. Lưỡi dao; b. Bánh mài; c. Lưỡi cưa; d. Mũi khoan) Các loại sản phẩm và dụng cụ vật liệu siêu cứng chính bao gồm dụng cụ cưa, vật liệu mài mòn (bao gồm vật liệu mài mòn liên kết, vật liệu mài được phủ và vật liệu mài rời ), dụng cụ cắt, dụng cụ khoan, dụng cụ gia công, khuôn kéo dây, các dụng cụ khác và các bộ phận chức năng khác nhau. 2. Kim cương tự nhiên và kim cương nhân tạo (1) Kim cương tự nhiên Kim cương thu được từ kim cương tự nhiên được gọi là kim cương tự nhiên. Kim cương tự nhiên sáng, lộng lẫy, quý hiếm và được mọi người coi là báu vật. Có một khẩu hiệu quảng cáo “Kim cương là mãi mãi, và một viên kim cương sẽ tồn tại mãi mãi” mà mọi người ở nước tôi đều biết. Ngoài việc được sử dụng làm đồ trang sức, kim cương tự nhiên còn được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp. Việc sử dụng kim cương trong công nghiệp từ lâu đã dựa trên độ cứng cực cao của chúng. Dao kim cương để cắt kính nhắc nhở chúng ta về việc sử dụng kim cương để chế tạo mũi khoan thăm dò địa chất và khai thác dầu khí. Kim cương trải qua các phản ứng oxy hóa ở mức độ khác nhau với oxy ở nhiệt độ cao, đặc biệt là với sắt và không thích hợp để gia công kim loại màu. (2) Kim cương nhân tạo Kim cương nhân tạo thường được gọi là kim cương được nuôi trong phòng thí nghiệm hoặc kim cương nuôi cấy trong ngành. Các hạt lớn hoặc các tinh thể kim cương nhân tạo lớn đã được sử dụng để chế biến đồ trang sức bằng kim cương tổng hợp. Kim cương nhân tạo cũng là kim cương thật, có thành phần và cấu trúc tương tự như kim cương tự nhiên. Cả hai chỉ có thể được phân biệt bằng các phương pháp rất đặc biệt, chẳng hạn như dưới máy đo độ sáng âm cực, kết cấu phát triển của cái trước là hình học, trong khi cái sau có hình vòng. Từ năm 2006, các tổ chức trang sức như GIA đã bắt đầu cung cấp dịch vụ nhận dạng và cấp giấy chứng nhận, chủ yếu để ngăn chặn các thương gia bán kim cương tổng hợp giá thấp hơn kim cương tự nhiên. Trước đây, các nhà nghiên cứu trong ngành kim cương đã tìm mọi cách để tổng hợp kim cương nhân tạo một cách hiệu quả nhưng chưa có bước đột phá nào. Hai trở ngại chính đến từ yếu tố chi phí và sản xuất. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, công nghệ tổng hợp kim cương đơn tinh thể lớn bằng phương pháp áp suất cực cao và nhiệt độ cao trong điều kiện xúc tác tĩnh đã trưởng thành. Nước tôi đã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc phát triển và ứng dụng kim cương nhân tạo đơn tinh thể lớn được tổng hợp bằng phương pháp áp suất cực cao và nhiệt độ cao, cũng như công nghệ tổng hợp kim cương nhân tạo bằng phương pháp CVD plasma vi sóng. Đồ trang sức kim cương tổng hợp đã được bán trên thị trường và bắt đầu thành hình. 3. Các ứng dụng chính của cBN So với kim cương, cBN có những ưu điểm độc đáo, chẳng hạn như độ ổn định nhiệt cao và độ trơ hóa học với các nguyên tố họ sắt. Hiện tại có hai mục đích sử dụng chính của cBN: một là sản xuất các công cụ mài mòn, và hai là chế tạo boron nitrit khối đa tinh thể làm vật liệu công cụ. Do đó, cBN có những tính năng độc đáo trong việc gia công vật liệu kim loại màu và cung cấp các công cụ gia công mới cho các vật liệu gốc sắt cứng và cứng, khó gia công. Các ứng dụng chính của cBN như sau: (1) Được sử dụng làm vật liệu công cụ mài mòn. Nó có thể được sử dụng để gia công cả vật liệu gốc sắt và vật liệu kim loại màu. (2) Được sử dụng làm vật liệu công cụ. Vật liệu được sử dụng cho dụng cụ cắt nói chung là boron nitrit khối đa tinh thể. PcBN là một loại bột siêu nhỏ được điều chế từ tinh thể đơn cBN. Nó được tạo ra bằng cách thêm cacbua titan, coban và các chất kết dính khác, sau đó thiêu kết nó dưới áp suất cao và nhiệt độ cao bằng cách sử dụng máy ép trên sáu mặt. Nó đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý kim loại sắt và hợp kim của chúng, đặc biệt thích hợp để cắt khô và cắt tốc độ cao. Nó cũng có thể thay thế mài bằng tiện và phay, nâng cao hiệu quả sản xuất đáng kể.
(3) Được sử dụng làm vật liệu chức năng. CBN có độ dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng trong các thiết bị chức năng quang điện tử. Vật liệu siêu cứng chỉ là một loại nhỏ trong số nhiều vật liệu khác nhau, nhưng chúng là vật liệu không thể thay thế và có thể dần thay thế một số vật liệu khác.
