超硬材料

超硬材料是指通过维氏硬度测试测得的硬度值超过 40 吉帕 (GPa) 的材料。 它们实际上是不可压缩的固体，具有高电子密度和高共价键。 由于其独特的性能，这些材料在许多工业领域引起了极大的兴趣，包括但不限于磨料、抛光和切割工具、盘式制动器以及耐磨和保护涂层。

金刚石是迄今为止已知的最硬材料，维氏硬度在 70–150 GPa 范围内。 金刚石同时具有高导热性和电绝缘性，人们非常关注寻找这种材料的实际应用。 然而，金刚石在大规模工业应用方面存在一些局限性，包括成本高和在 800 °C 以上的温度下会氧化。 此外，金刚石溶解在铁中并在高温下形成碳化铁，因此在切割包括钢在内的黑色金属材料时效率低下。 因此，最近对超硬材料的研究一直集中在比纯金刚石具有更高热稳定性和化学稳定性的化合物上。

寻找新的超硬材料通常采用两条路径。 在xxx种方法中，研究人员通过结合硼、碳、氮和氧等轻元素来模拟金刚石的短而定向的共价碳键。 随着 C3N4 和 B-C-N 三元化合物的探索，这种方法在 20 世纪 80 年代后期开始流行。 设计超硬材料的第二种方法结合了这些较轻的元素（B、C、N 和 O），但也引入了具有高价电子密度的过渡金属以提供高不可压缩性。 通过这种方式，具有高体积模量但低硬度的金属与小的共价形成原子配位以生产超硬材料。 碳化钨是这种方法的工业相关体现，尽管它不被认为是超硬的。 或者，与过渡金属结合的硼化物已成为超硬研究的丰富领域，并导致了 ReB2、OsB2 和 WB4 等发现。

超硬材料一般可分为两类：内在化合物和外在化合物。 本征组包括金刚石、立方氮化硼 (c-BN)、氮化碳和三元化合物，例如 B-N-C，它们具有先天硬度。 相反，外在材料是那些具有超硬度和其他机械性能的材料，这些性能由它们的微观结构而不是成分决定。 外在超硬材料的一个例子是称为聚集金刚石纳米棒的纳米晶金刚石。

材料的硬度与其不可压缩性、弹性和抗变形能力直接相关。 超硬材料具有高剪切模量、高体积模量，并且不发生塑性变形。 理想的超硬材料应具有无缺陷、各向同性的晶格。 这xxx减少了会降低材料强度的结构变形。 然而，缺陷实际上可以加强一些共价结构。 传统上，高压和高温 (HPHT) 条件已用于合成超硬材料，但最近的超硬材料合成旨在使用更少的能量和更低成本的材料。

从历史上看，硬度首先被定义为一种材料刮擦另一种材料的能力，并用莫氏硬度表上 0 到 10 的整数（有时是半整数）进行量化。 然而，很快就发现这个比例过于离散和非线性。 测量材料的机械硬度改为使用纳米压痕仪（通常由金刚石制成）并评估体积模量，并且开发了布氏、洛氏、努氏和维氏标度。

尽管维氏量表被广泛接受为最常见的测试，但在测试期间要施加的重量负荷仍存在争议。 这是因为维氏硬度值与载荷有关。 0.5N 压痕的硬度值高于 50N 压痕的硬度值。 这种现象称为压痕尺寸效应 (ISE)。 因此，除非还报告了负载，否则硬度值没有意义。 一些人认为，硬度值应该在渐近线（高负荷区域）中始终如一地报告，因为这是材料硬度的更标准化表示。

体积模量、剪切模量和弹性是超硬分级过程中的关键因素。 材料的不可压缩性由体积模量 B 量化，它测量固体在静水应力下对体积压缩的抵抗力，如 B = −Vdp/dV。 这里 V 是体积，p 是压力，dp/dV 是压力对体积的偏导数。 体积模量测试使用压头工具在材料中形成xxx变形。