Como su nombre indica, los materiales superduros son materiales con una dureza extremadamente alta. En términos generales, el diamante tiene la dureza más alta, con una dureza Mohs de 10, y el cBN es ligeramente menor que el diamante, por lo que los materiales superduros generalmente se refieren al diamante y al cBN, o materiales compuestos hechos de estos dos materiales, como componentes principales. La dureza de los cuatro tipos de materiales duros utilizados como "dientes industriales", corindón, SiC, carburo cementado y acero de alta velocidad, es mucho menor que la dureza del diamante y el cBN, por lo que los materiales superduros también se denominan los más duros y afilados. "dientes industriales" o "rey de los materiales". Estructura y propiedades de los materiales superduros 1. Estructura y propiedades del diamante Al igual que otros materiales de carbono, la principal composición de elementos químicos del diamante es el carbono. Ya sea diamante natural o artificial, no importa qué tipo de diamante, contendrá más o menos impurezas. El diamante generalmente contiene impurezas de nitrógeno. Según la diferencia en el contenido de nitrógeno en el cristal de diamante, el diamante se puede dividir en dos tipos (diamante tipo I y diamante tipo II).
Clasificación del diamante
Distribución de nubes de electrones orbitales híbridos de diamante, estructura atómica y estructura de celda unitaria
En los últimos años, los materiales de carbono son un tipo de material con un tema de investigación muy candente. El siglo XXI también se conoce como la "Edad del Carbono". Los materiales de carbono se utilizan ampliamente en diversos campos debido a su excelente desempeño, especialmente en la aplicación de industrias emergentes estratégicas nacionales. Los nanomateriales de grafeno y carbono, las fibras de carbono y sus materiales compuestos, los diamantes, las películas a base de carbono y los materiales de carbono tradicionales (negro de humo, carbono poroso, grafito, grafito especial, etc.) tienen amplias perspectivas de aplicación en baterías de litio, condensadores, almacenamiento de energía, fotovoltaica, semiconductores, pantallas optoelectrónicas, comunicaciones 5G, sensores, aviación general, transporte del futuro, equipos de alta gama y otros campos.
2. Estructura y propiedades del cBN
El nitruro de boro cúbico (cBN) es la segunda variedad más grande de materiales superduros. La estructura química del nitruro de boro es BN, que se compone de dos elementos: boro y nitrógeno. El nitruro de boro tiene cuatro estructuras cristalinas diferentes, principalmente nitruro de boro hexagonal (hBN), nitruro de boro cúbico (cBN), nitruro de boro romboédrico (rBN) y nitruro de boro hexagonal denso (wBN). En hBN y rBN, los átomos de nitrógeno y los átomos de boro se hibridan en modo SP2, mientras que en cBN y wBN, los átomos de nitrógeno y los átomos de boro se hibridan en modo SP3.
Varias marcas diferentes de monocristales de cBN de una determinada empresa (del sitio web de la empresa). La dureza del cBN es ligeramente menor que la del diamante y el color es diverso. El color del cristal está relacionado con el tipo y cantidad de impurezas que contiene. cBN tiene propiedades optoelectrónicas únicas. Sintetizar monocristales de cBN de gran tamaño y alta calidad es una opción inevitable para obtener aplicaciones de dispositivos funcionales. Sin embargo, los cristales de cBN de gran tamaño tienen mucho menos éxito que los diamantes. Esto puede deberse a que las condiciones para sintetizar cBN de grano grande son más estrictas y su aplicación no ha encontrado un campo adecuado. Aplicación de materiales superduros 1. Principales tipos de productos de materiales superduros Los materiales superduros y sus productos y herramientas se han utilizado ampliamente en la industria. No solo resuelven el problema de que las herramientas tradicionales no pueden procesar o son difíciles de procesar, sino que también mejoran significativamente la eficiencia del procesamiento tradicional y reducen significativamente el consumo y las emisiones de residuos. Varios productos y herramientas de materiales superduros (a. Cuchillas; b. Muelas abrasivas; c. Hojas de sierra; d. Brocas) Los principales tipos de productos y herramientas de materiales superduros incluyen herramientas de sierra, abrasivos (incluidos abrasivos aglomerados, abrasivos recubiertos y abrasivos sueltos). ), herramientas de corte, herramientas de perforación, herramientas de reavivado, matrices de trefilado, otras herramientas y diferentes componentes funcionales. 2. Diamantes naturales y diamantes artificiales (1) Diamantes naturales Los diamantes obtenidos a partir de diamantes naturales se denominan diamantes naturales. Los diamantes naturales son brillantes, hermosos, raros y preciosos, y la gente los considera muy apreciados. Hay un lema publicitario "Los diamantes son para siempre y un diamante durará para siempre" que todos conocen en mi país. Además de utilizarse como joyería, los diamantes naturales se utilizan con mayor frecuencia en la industria. El uso industrial de los diamantes se basa desde hace mucho tiempo en su altísima dureza. Los cuchillos diamantados para cortar vidrio nos recuerdan el uso de diamantes para fabricar brocas para la exploración geológica y la extracción de petróleo y carbón. Los diamantes sufren diversos grados de reacciones de oxidación con oxígeno a altas temperaturas, especialmente con hierro, y no son adecuados para el procesamiento de metales ferrosos. (2) Diamantes artificiales Los diamantes artificiales a menudo se denominan en la industria diamantes cultivados en laboratorio o diamantes cultivados. Se han utilizado partículas grandes o cristales individuales grandes de diamantes artificiales para procesar joyas de diamantes sintéticos. Los diamantes artificiales también son diamantes reales, con la misma composición y estructura que los diamantes naturales. Los dos sólo pueden distinguirse mediante métodos muy especiales, como por ejemplo, bajo un luminómetro catódico, la textura de crecimiento del primero es geométrica, mientras que el segundo tiene forma de anillo. Desde 2006, instituciones joyeras como GIA han comenzado a brindar servicios de identificación y emitir certificados, principalmente para evitar que los comerciantes vendan diamantes sintéticos de menor precio como diamantes naturales. En el pasado, los investigadores de la industria del diamante han estado buscando formas de sintetizar diamantes artificiales de manera eficiente, pero no ha habido ningún avance. Los dos obstáculos principales provienen de factores de costo y producción. Después de décadas de investigación, la tecnología de síntesis de grandes diamantes monocristalinos mediante un método de presión ultraalta y alta temperatura en condiciones de catalizador estático ha madurado. Mi país ha logrado rápidos avances en el desarrollo y aplicación de grandes diamantes artificiales monocristalinos sintetizados mediante métodos de presión ultraalta y alta temperatura, así como en la tecnología de síntesis de diamantes artificiales mediante el método CVD de plasma de microondas. Las joyas de diamantes sintéticos se han vendido en el mercado y han comenzado a tomar forma. 3. Principales aplicaciones del cBN En comparación con el diamante, el cBN tiene ventajas únicas, como una alta estabilidad térmica y una inercia química con los elementos de la familia del hierro. Actualmente existen dos usos principales del cBN: uno es la fabricación de herramientas abrasivas y el otro es la fabricación de nitruro de boro cúbico policristalino como material para herramientas. Por lo tanto, cBN tiene características únicas en el procesamiento de materiales metálicos ferrosos y proporciona nuevas herramientas de procesamiento para materiales duros y resistentes a base de hierro que son difíciles de procesar. Las principales aplicaciones del cBN son las siguientes: (1) Se utiliza como material para herramientas abrasivas. Puede utilizarse para procesar tanto materiales a base de hierro como materiales metálicos no ferrosos. (2) Utilizado como material de herramienta. El material utilizado para las herramientas de corte es generalmente nitruro de boro cúbico policristalino. PcBN es un micropolvo preparado a partir de un monocristal de cBN. Se fabrica añadiendo carburo de titanio, cobalto y otros adhesivos, y luego sinterizándolo a alta presión y alta temperatura utilizando una prensa superior de seis lados. Es particularmente eficaz en el procesamiento de metales de hierro y sus aleaciones, y es particularmente adecuado para corte a alta velocidad y corte en seco. También puede sustituir el rectificado por torneado y fresado, mejorando enormemente la eficiencia de la producción.
(3) Utilizados como materiales funcionales. El cBN de alta conductividad térmica se puede utilizar en dispositivos funcionales optoelectrónicos. Los materiales superduros son una pequeña variedad entre muchos materiales diferentes, pero son un material irremplazable y pueden reemplazar gradualmente a otros materiales.
