مواد فراسخت

مواد فوق سخت ( superhard materials ) موادی با سختی ویکرز بیشتر از 40GPa هستند. این جامدات تراکم ناپذیر، دارای تراکم الکترونی بالا و مقادیر زیاد پیوند کوالانسی هستند و به علت سختی بالای خود در صنایع مختلف ساینده، برش، دیسکترمز و پوشش های محافظ و مقاوم دربرابر سایش بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. الماس سختترین ماده موجود با سختی GPa 70 - 150 است که به دلیل هدایت حرارتی بالا و نارسانایی الکتریکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است ولی محدودیت هایی مثل هزینه بالا و اکسیداسیون در دمای بالای ۸۰۰ درجه سانتی گراد دارد. [ ۱] [ ۲] علاوه بر این الماس قابلیت انحلال در آهن و تشکیل کاربید آهن در دمای بالا را نیز دارد که موجب ناکارآمدی الماس در برش مواد آهنی مثل فولاد می شود؛ بنابراین تحقیقات اخیر در حوزه مواد فوق سخت برروی ترکیباتی متمرکز شده است که از نظر حرارتی و شیمیایی پایدارتر از الماس خالص باشند. [ ۳] تحقیقات در حوزه تولید مواد فوق سخت جدید به طور کلی به ۲ نگرش تقسیم می شود: ۱ ) بررسی پیوندهای کوالانسی کوتاه و جهت دار کربن در الماس با عناصر سبک مانند B, C، O, N. این نگرش در اواخر دهه ۱۹۸۰ با کشف C3N4 و ترکیبات سه تایی B - C - N شهرت یافت. ۲ ) ترکیب عناصر سبک B, C، O, N با فلزات انتقالی دارای دانسیته الکترئن های ظرفیت بالا که منجر به تهیه ماده ای با تراکم ناپذیری زیاد می شود. در این روش فلزات دارای مدول بالک زیاد و سختی کم با اتم های دارای کوالانت کوچک همراه می شوند. به عنوان مثال کاربید تنگستن هرچند که ماده فوق سخت محسوب نمی شود ولی یک نمونه صنعتی از این روش است. از طرفی بوریدهای ترکیب شده با فلزات انتقالی به زمینه مهمی در تحقیقات مواد فوق سخت تبدیل شده اند، که منجر به کشف موادی مثل WB4, ReB2, OsB2 شده است. مواد فوق سخت را می توان به دو گروه کلی ذاتی و غیر ذاتی تقسیم کرد: مواد ذاتی مثل الماس، نیترید بور مکعبی، نیترید کربن و ترکیبات سه گانه B - C - N که سختی ذاتی دارند. ( سختی ناشی از ترکیب شیمیایی است ) مواد غیرذاتی مثل الماس نانوکریستالین که به عنوان اگریگیت نانومیله های الماس شناخته می شود. در این دسته از مواد فوق سختی و سایر خواص مکانیکی بیشتر وابسته به ریزساختار است. [ ۴] [ ۵] [ ۶]
سختی یک ماده با تراکم ناپذیری، الاستیسیته و مقاومت در برابر تغییر شکل رابطه مستقیم دارد. ماده فوق سخت دارای مدول برش و مدول بالک بالا است و تغییر شکل پلاستیم نمی دهد. در حالت ایده آل، مواد فوق سخت باید دارای شبکه ایزوتروپ بدون نقص باشند که تا حد زیادی مانع از کاهش استحکام در اثر تغییر شکا ساختاری شود. با این حال، نواقص می توانند موجب تقویت برخی ساختارهای کوالانسی شوند. در روش های قدیمی سنتز مواد فوق سخت از شرایط دما بالا و فشار بالا ( HPHT ) استفاده می کردند، اما روش های جدید مدعی کاهش انرژی مصرفی و در نتیجه کاهش هزینه هستند. [ ۶] [ ۵] از نظر تاریخی، ابتدا سختی به عنوان توانایی یک ماده برای ایجاد خراش روی ماده دیگر تعریف شد و توسط عدد صحیح و گاه نیمه صحیح بین ۰–۱۰ در مقیاس موهس کمی شد. اما خیلی زود به غیرخطی و ناپیوسته بودن این مقیاس پی یرده شد و اندازه گیری سختی مکانیکی مواد با استفاده از نانوایندنتور ( معمولاً از جنس الماس ) و مقیاس های ویکرز، برینل، راکول و نوپ توسعه یافت. [ ۶] در حالی که مقیاس ویکرز به عنوان متداولترین آزمایش اندازه گیری سختی پذیرفته شده است، به دلیل وابستگی مقادیر حاصل از این روش به بار اعمالی، در مورد بار وزنی که باید در طول آزمون اعمال شود اختلاف نظرهایی وجود دارد. یک فرورفتگی ایجاد شده در اثر بار ۰٫۵ نیوتونی مقدار سختی بالاتری در مقایسه با فرورفتگی ناشی از ۵۰ نیوتون از خود نشان می دهد. این پدیده به عنوان اثر اندازه فرورفتگی ( indentation size effect ( ISE شناخته می شود؛ بنابراین مقادیر سختی با گزارش بار معنادار هستند. برخی معتقدند که مقادیر سختی باید با اعمال بار زیاد گزارش شوند چون در این حالت یک نمایش استانداردتر از سختی ماده به دست می آید. [ ۷] سختی ویکرز چند ماده در جدول زیر ذکر شده است:[ ۸] [ ۹]