Топ 10 самых твердых веществ
1. Графен (Graphene)
Графен представляет собой сотовую двумерную пленку, образованную атомами углерода с sp2-гибридизацией. Это однослойная листовая структура, отделенная от графита, а также самый тонкий новый материал, известный в настоящее время. Прочность на растяжение и модуль упругости графена составляют 125 ГПа и 1,1 тПа соответственно, а его прочность в 100 раз выше, чем у обычной стали.
С тех пор как в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике, число глобальных патентных заявок на графен резко возросло. Ожидается, что в будущем он будет применяться во многих областях, таких как электроника, хранение энергии, катализаторы, датчики, оптоэлектронные прозрачные тонкие пленки, сверхпрочные композитные материалы и биологическая медицина. Графен самое твердое вещество в мире.
2. Углеродные нанотрубки (Carbon Nanotube)
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой разновидность одномерного квантового материала с гексагональным расположением атомов углерода, образующего коаксиальные круглые трубки от нескольких слоев до десятков слоев, и их можно разделить на одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) и многослойные углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) по количеству слоев графеновых листов. Углеродные нанотрубки обладают превосходными механическими свойствами, с пределом прочности при растяжении 50 ~ 200 ГПа, что в 100 раз больше, чем у стали, но плотность составляет всего 1/6 от плотности стали. Кроме того модуль упругости может достигать 1 ТПа, что эквивалентно модулю алмаза и примерно в 5 раз больше, чем у стали.
С момента своего открытия в 1990-х годах отрасль, связанная с углеродными нанотрубками, процветала, и они широко используются для производства композитных материалов и пленок, прозрачных проводников, термоинтерфейсов, бронежилетов, лопастей ветряных турбин, электродов для функциональных устройств и катализаторов. Углеродные нанотрубки одни из самых твердых материалов в мире.
3. Металлическое стекло (Metallic Glass)
Металлическое стекло также называют аморфным металлом, который обычно представляет собой сплав с аморфной структурой и структурой стекла. Эта двойная структура определяет, что он обладает многими свойствами, недоступными для кристаллического металла и стекла, такими как хорошая электропроводность, высокая прочность, высокая эластичность, более износостойкий и устойчивый к коррозии. Металлическое стекло прочнее стали и тверже твердой инструментальной стали.
Металлическое стекло обладает сверхпрочностью, эластичностью и магнитными свойствами и может оставаться твердым без кристаллизации при высоких температурах, что в основном используется в аэрокосмической отрасли и обороной промышленности.
4. Полиэтиленовое волокно сверхвысокой молекулярной массы (Ultra-high molecular weight polyethylene fiber)
UHMWPE — это разновидность волокна из полиэтилена с относительной молекулярной массой от 1 до 5 миллионов, которое в настоящее время является самым прочным и легким волокном в мире. Он в 15 раз прочнее стальной проволоки, но очень легкий по весу и не более чем на 40 процентов легче таких материалов, как арамид.
UHMWPE широко используется от канатов до средств защиты жизни, высококачественного текстиля, композитов, ламинированных материалов. Подсчитано, что ежегодный мировой спрос на UHMWPE составит 60 000 тонн в следующие пять лет и 100 000 тонн в следующие 10 лет.
5. Нанотрубки нитрида бора (Boron Nitride Nanotubes)
Подобно углероду, нитрид бора может образовывать слои из одного атома, которые могут быть свернуты в нанотрубки. Нанотрубки из нитрида бора сами по себе такие же прочные, как углеродные нанотрубки, но настоящее преимущество заключается в их способности прочно прилипать к полимеру, когда он связывается с полимером. Прочность нанотрубок из нитрида бора выше, чем у углеродных нанотрубок, примерно на 30%, и примерно на 20% выше, чем у эпоксидной смолы.
Нанотрубки из нитрида бора обладают оптическими свойствами, превосходными механическими и теплопроводными свойствами, а также выдерживают высокие температуры и поглощают нейтронное излучение, что делает их эффективными добавками для механического или термического улучшения полимерных, керамических и металлических композитов. Дополнительные применения нанотрубок нитрида бора включают в себя защитные экраны, электрические изоляторы и датчики.
6. Лонсдейлит (Lonsdaleite)
Камень Лонсдейла был обнаружен в кратере американским геологом Лонсдейлом и определен как шестиугольный метеоритный алмаз. Как и алмазы, они состоят из атомов углерода, но его атомы углерода расположены в разных формах. Результаты моделирования показывают, что камень Лонсдейл на 58% более устойчив к давлению, чем алмаз.
7. Алмаз (Diamond)
Алмаз — самое твердое вещество, встречающееся на Земле в очень многих природных формах, и это аллотроп углерода. Твердость алмаза соответствует высшей степени твердости по шкале Мооса – 10 классу. Его микротвердость составляет 10000 кг/мм2, что в 1000 раз выше, чем у кварца, и в 150 раз выше, чем у корунда. Алмаз широко используется в промышленности, в основном в алмазных резцах, алмазных штампах, алмазных долотах. Алмаз - самый твердый материал в природе, но человек уже обошел мать-природу и алмаз в нашем рейтинге самых твердых веществ в мире занимает только седьмую строчку.
8. Аэрогель (Aerogel)
Аэрогель — это форма твердого материала, которая имеет самую маленькую плотность в мире. Аэрогели очень прочные и долговечные, могут выдерживать давление, в тысячи раз превышающее их массу, и не плавятся, пока не достигнут температуры 1200 градусов по Цельсию.
Аэрогели обладают многими уникальными свойствами в области тепловых, оптических, электрических, механических и акустических характеристик, которые могут использоваться в качестве теплоизоляционных материалов, мишеней для ИКФ и рентгеновских лазеров, катализаторов, адсорбентов, различных электронных устройств и т.д.
9. Карбид кремния (Silicon carbide)
Карбид кремния имеет твердость по шкале Мооса 9,5, что уступает только самому твердому алмазу в мире. Кроме того, карбид кремния обладает отличной теплопроводностью. Это своего рода полупроводник, который может противостоять окислению при высокой температуре. В сочетании с выдающейся жаропрочностью материала и стойкостью к тепловому удару, наряду с присущими ему впечатляющими механическими свойствами, карбид кремния является одним из самых универсальных огнеупорных керамических материалов в мире.
Как типичный представитель полупроводниковых материалов третьего поколения, карбид кремния пользуется популярностью на предприятиях, занимающихся производством полупроводников. Силовые электронные устройства, изготовленные из подложки из карбида кремния и эпитаксиального материала, могут работать в условиях высокого напряжения и высокой частоты с выдающимися эксплуатационными преимуществами и широкими промышленными перспективами.
Карбид кремния производится при чрезвычайно высоких температурах (~2000°C) в инертной атмосфере с использованием различных методов формования, включая сухое прессование и экструзию. Реакционно-связанный карбид кремния образуется с использованием пористого углеродного сырья и расплавленного кремния посредством аддитивного формования, литья или экструзии. Каждая из этих полностью уплотненных карбидокремниевых керамик достигает исключительных химических и механических свойств при экстремальных температурах конечного использования, превышающих 1400°C
10. Осмий (Osmium)
Осмий — блестящий серебристый металл, один из металлов так называемой платиновой группы. Это самый плотный из известных металлов и один из самых твердых материалов в мире. Осмий не действует на воду и кислоты, но растворяется в расплавленных щелочах. Порошок осмия медленно реагирует с кислородом воздуха и выделяет заметное количество паров четырехокиси осмия.
Металл используется в нескольких сплавах и в промышленности в качестве катализатора. Когда-то его можно было встретить в перьях высококачественных перьевых ручек, иглах компаса, долговечных иглах граммофонов и подшипниках часов благодаря его исключительной твердости и коррозионной стойкости. Осмий в основном встречается в сплавах с другими платиновыми металлами, из которых он извлекается в промышленных масштабах. Наиболее важными рудами являются иридосмин и осмиридий. Иридосмин — редкий минерал, встречающийся в России, Северной и Южной Америке. Ежегодно производится менее 100 кг. Спрос на металл, который трудно изготовить, невелик.
