초경질 소재

Superhard material

초경질 재료는 비커즈 경도 시험으로 측정했을 때 경도 값이 40기가파스칼(GPA)을 초과하는 재료다.[1][2][3][4] 이들은 전자 밀도가 높고 본드 공밸런스가 높은 사실상 압축불가 고형분이다. 이러한 재료는 고유한 특성의 결과 연마재, 연마 및 절삭 공구, 디스크 브레이크, 내마모성 및 보호 코팅 등 많은 산업 분야에 관심이 많다.

그래핀는 재료인 탄소 원자 한층으로 구성된, 가장 강력한 재료, 200번 강철보다, 종이보다 가볍고 그리고 더 강하게다가 특별한 기계 및 전기적 properties[5][6]과, 철분이 다이아몬드가 다 녹고 높은 온도에서 철 탄소 화물을 형성하고 따라서ineffic은 존재하는 것으로 알려져로 거론되고 있다.ient 나는강철을 포함한 절단 철 재료. 따라서, 최근 초경질 재료에 대한 연구는 순수한 다이아몬드보다 열적으로나 화학적으로 더 안정적일 수 있는 화합물에 초점을 맞추고 있다.

새로운 초경질 소재에 대한 탐구는 일반적으로 두 가지 길을 걸었다.[7] 첫 번째 접근법에서, 연구원들은 붕소, 탄소, 질소, 산소 같은 가벼운 원소를 결합하여 다이아몬드의 짧고 방향적인 공밸런트 탄소 결합을 모방한다. 이러한 접근방식은 1980년대 후반34 CN과 B-C-N 3차 화합물의 탐사와 함께 대중화되었다. 초경질 재료 설계에 대한 두 번째 접근방식은 이러한 가벼운 원소(B, C, N, O)를 포함하지만 높은 발란스 전자 밀도를 가진 전이 금속을 도입하여 높은 비압감성을 제공한다. 이렇게 해서 벌크 모듈리는 높지만 경도는 낮은 금속을 작은 공밸런스 형성 원자와 조율하여 초경질 물질을 만들어낸다. 텅스텐 카바이드(Tungsten carbide)는 초경성(superhard)으로 간주되지는 않지만 이 접근방식의 산업 관련 표현이다. 그 대신에, 전이 금속과 결합된 붕산은 초경화 연구의 풍부한 지역이 되었고, ReB2, OsB2, WB와4 같은 발견으로 이어졌다.

초경질 재료는 일반적으로 내인성 화합물과 외인성 화합물의 두 가지 범주로 분류할 수 있다. 고유군에는 다이아몬드, 입방형 보론질화물(c-BN), 탄소질화물, 선천적 경도를 갖는 B-N-C와 같은 3차 화합물이 포함된다. 반대로 외인성 물질은 초경성 및 그 밖의 기계적 성질을 가진 물질로 구성보다는 미세 구조에 의해 결정된다.[8][9][10] 외인성 초경질 재료의 예로는 집적 다이아몬드 나노로드로 알려진 나노크리스탈린 다이아몬드가 있다.

나노입자(Nanoindenter), 재료의 경도 및 관련 특성을 측정하는 데 사용

경도의 정의와 역학

비커스 테스트 계획
비커스 경도 시험 후 케이스 경화강재에 남아 있는 움푹 들어간 부분.

물질의 경도는 형상의 변화에 대한 그 비압감성, 탄력성, 저항성과 직결된다. 초경질 재료는 전단 계수가 높고, 벌크 계수가 높으며, 탄력적으로 변형되지 않는다. 이상적으로 초경질 재료는 결함이 없고 등방성 격자를 가져야 한다. 이것은 재료의 강도를 낮출 수 있는 구조적 변형을 크게 감소시킨다. 그러나, 결함은 실제로 일부 공동 가치 구조를 강화시킬 수 있다. 기존에는 고압과 고온(HPHT) 조건이 슈퍼하드 소재를 합성하는 데 사용됐지만 최근 초하드 소재 합성법은 에너지 절감과 저비용 소재를 사용하는 것을 목표로 하고 있다.[9][10]

역사적으로 경도는 처음에는 한 재료가 다른 재료를 긁어내는 능력으로 정의되었고, 모스 척도로 0부터 10까지의 정수(때로는 반정수)로 정량화되었다. 그러나 이 척도는 너무 빨리 분리되고 비선형적으로 발견되었다. 재료의 기계적 경도를 측정해 나노인덴터(보통 다이아몬드로 만들어짐)를 사용하고 벌크모듈리를 평가하는 것으로 바뀌었고 브리넬, 록웰, 크누프, 비커즈 비늘 등이 개발됐다. 비커즈 저울은 가장 일반적인 시험으로 널리 받아들여지고 있는 반면,[10] 시험 중 적용할 중량 하중에 대한 논란은 남아 있다. 비커즈 경도 값은 부하에 의존하기 때문이다. 0.5N으로 만든 들여쓰기는 50N으로 만든 들여쓰기보다 더 높은 경도 값을 나타낸다. 이러한 현상을 ISE(Indentation size effect)라고 한다. 따라서 하중도 보고되지 않는 한 경도 값은 의미가 없다. 경도 값은 물질의 경도를 보다 표준화한 표현이므로 점근법(고부하 영역)에서 일관되게 보고해야 한다는 주장도 있다.[11]

엄선된 하드 및 초경질 소재의[12][13] 비커 경도
재료 비커즈 경도(GPA) 벌크 계수(GPA)
다이아몬드 115[12] 440
c-BC2N 76 282
c-BC5 71[12]
γ보론 58 227
c-BN 48, 62[12] 400
오스비2 37 395
기원전4 35, 38[12]
WB4 ~30
알MgB14 26.7[14]
레비2 ~20

벌크모듈리, 전단모듈리, 탄성이 초경성 분류과정의 핵심 요인이다. 물질의 비압축성은 B = -Vdp/dV로 정수압력 하에서 고체와 부피 압축의 저항을 측정하는 벌크계수 B로 정량화된다. 여기서 V는 부피, p는 압력, dp/dV는 부피와 관련된 압력의 부분적 파생이다. 벌크 계수 시험은 인데터 공구를 사용하여 재료에[dubious – discuss] 영구적인 변형을 형성한다.[citation needed] 변형의 크기는 공구에 의해 만들어진 볼륨 압축에 대한 재료의 내성에 따라 달라진다. 작은 어금니 부피와 강한 원자간 힘을 가진 원소들은 대개 높은 벌크 모듈리를 가지고 있다. 벌크모듈리는 경도의 첫 번째 주요 시험이었으며, 원래 어금니 부피(Vm) 및 응집 에너지c(E)와 B ~ E/V로cm 상관관계가 있는 것으로 나타났다.

벌크 계수는 물질의 경도를 측정하는 직접적인 척도로 여겨졌지만, 이것은 더 이상 지배적인 사상의 학파로 남아 있지 않다. 예를 들어, 일부 알칼리 금속과 귀족 금속(Pd, Ag)은 브리넬 경도의 비커스에 대한 벌크 계수의 비율이 비정상적으로 높다. 2000년대 초반에는 전자가 많을수록 구조물 내부의 반발도 커짐에 따라 벌크계 전자 밀도와 발란스 전자 밀도 사이의 직접적인 관계가 발견되었다.[9] 벌크 계수는 여전히 초경질 재료의 예비 척도로 사용되고 있지만, 이제는 다른 특성들을 고려해야 한다는 것이 알려져 있다.[9][10]

벌크 계량과는 대조적으로 전단 계수는 일정한 부피에서 형상 변화에 대한 저항을 측정하며, 결정면과 전단 방향을 고려한다. 전단 계수 G는 전단 변형률에 대한 전단 응력의 비율로 정의된다: G = 응력/스트레인 = F/L/(A/dx), 여기서 F는 힘이 작용하는 영역, dx는 결과 변위, L은 초기 길이. 전단계수가 클수록 절삭력에 저항하는 재료의 능력이 커진다. 그러므로 전단계수는 강성의 척도인 것이다. 전단 계수는 3/G = 2B(1 - 2v)(1 + v)로 벌크 계수와 관련이 있으며, 여기서 v는 포아송의 비율이며, 일반적으로 공밸런트 재료에서 ~0.1이다. 재료에 방향성이 높은 결합이 포함되어 있으면 전단 계수가 증가하여 포아송 비율이 낮다.

재료는 플라스틱 변형에 저항하는 경우에도 단단한 것으로 간주된다. 물질이 짧은 공밸런스 결합을 갖는 경우, 소성변형을 초래하는 원자 탈구는 더 길고 탈색된 결합을 가진 물질에 비해 발생 가능성이 낮다. 만약 어떤 물질에 많은 소산 결합이 포함되어 있다면 그것은 부드러워질 가능성이 있다.[9] 경도와 다소 관련이 있는 것은 또 다른 기계적 특성 파괴 강도인데, 이것은 강한 충격으로부터 파손되는 것에 저항하는 물질의 능력이다(이 개념은 강인성의 개념과는 구별된다). 초경질 재료가 반드시 "초강"인 것은 아니다. 예를 들어 다이아몬드의 파괴강도는 약 7–10 MPa·m으로1/2 [15][16]다른 원석이나 세라믹 소재에 비해 높지만 많은 금속과 합금에 비해 열악하다 - 공통강과 알루미늄 합금은 최소 5배 높은 강도 값을 갖는다.[17]

재료를 (슈퍼)강도로 평가할 때는 몇 가지 특성을 고려해야 한다. 단단한 재료는 높은 벌크 모듈리를 가지고 있지만, 높은 벌크 모듈럼은 재료가 단단하다는 것을 의미하지는 않는다. 비탄성 특성도 고려해야 하며 전단 계수는 벌크 계량보다 경도와 더 나은 상관관계를 제공할 수 있다. 공밸런트 재료는 일반적으로 결합-벤딩 힘 상수와 전단 모듈리가 높으며, 예를 들어 이온 고형물보다 초경성 구조를 줄 가능성이 더 높다.[9][10]

다이아몬드

다이아몬드 및 흑연 재료 및 구조

다이아몬드는 원자들이 "다이아몬드 큐빅"이라고 알려진 얼굴 중심 큐빅(fcc) 구조의 변형된 버전으로 배열된 탄소의 할당로프다. 경도와 비압축성으로 알려져 있으며(위 표 참조), 일부 광학 및 전기적 용도에 타겟팅되어 있다. 개별적인 천연 다이아몬드나 카보나도의 성질은 산업적인 목적에 비해 너무 광범위하게 다양하며, 따라서 합성 다이아몬드는 주요 연구 초점이 되었다.[18][19]

합성 다이아몬드

새로운 기기와 기법의 개발로 가능해진 [22]1953년 스웨덴에서와[20][21] 1954년 미국에서 다이아몬드의 고압 합성은 인공 초경질 재료의 합성에 이정표가 되었다. 합성은 산업용 고압 적용의 가능성을 명확히 보여주었고, 그 분야에 대한 관심이 커지는 것을 자극했다. 인공 다이아몬드가 처음 합성된 지 4년 만에 큐빅보론 질화물 c-BN을 얻어 두 번째로 단단한 고체로 밝혀졌다.[23]

합성 다이아몬드는 곡물 경계를 통해 상호 연결된 작은 다결정이나 연속적인 단일 결정체로 존재할 수 있다. 이들 서브유닛의 고유 공간적 분리는 알갱이 형성을 유발하는데, 이 알갱이는 물질의 광 흡수 및 산란 특성 때문에 보조되지 않은 눈으로 볼 수 있다.[24]

합성 다이아몬드(70–150 GPA)의 경도는 수정 자체의 상대적인 순도에 매우 의존한다. 수정구조가 완벽할수록 다이아몬드는 단단해진다. HPHT 싱글 크리스털과 나노크리스탈린 다이아몬드 골재(aggregate diamond 나노로드)가 천연 다이아몬드보다 단단할 수 있다는 보고가 나왔다.[24]

역사적으로, 합성 다이아몬드는 유용하기 위해 구조적으로 완벽해야 한다고 생각되었다. 다이아몬드는 주로 심미적 특성으로 선호되었고, 구조와 구성의 작은 결점이 육안으로 확인되었기 때문이다. 비록 이것이 사실이지만, 이러한 작은 변화와 관련된 특성들은 인조 다이아몬드의 흥미로운 새로운 잠재적 적용으로 이어졌다. 예를 들어 질소 도핑은 다이아몬드의 기계적 강도를 높일 수 있고 [25]붕소를 사용한 헤비 도핑은 초전도체를 만든다.[26]

2014년 연구진은 최대 200GPA의 비커즈 경도 값을 가진 나노 윈드[clarification needed] 다이아몬드의 합성에 대해 보고했다.[27] 저자들은 전례가 없는 경도를 홀-페치 효과로 보고 있는데, 이는 미세구조적 특성이 작아 탈구를 막는 경계의 밀도가 높아 경도가 높아질 수 있다고 예측한다. 이들은 높은 온도와 압력을 받는 양파[clarification needed] 탄소 나노입자의 전구체를 이용해 평균 두께 5nm의 쌍둥이를 이뤄낸다. 그들은 또한 천연 다이아몬드보다 200 °C 높은 산화 온도를 동시에 달성한다. 높은 열 안정성은 높은 온도가 빠른 다이아몬드 성능 저하를 초래할 수 있는 절삭 공구와 같은 산업적 용도와 관련이 있다.

고밀도 무정형 탄소

밀도가 높은 AM-III 형태의 투명한 아모르퍼스 탄소는 비커스 경도가 113 GPA이다.[28] 이 열처리 풀러렌은 현재 가장 단단한 비정형 물질이다.

질화붕소

역사

질화수소나 c-BN은 로버트 H에 의해 1957년에 처음 합성되었다. General Electric, 다이아몬드 합성 직후에 General Electric에서 Wondorf.[23] c-BN 합성을 위한 일반적인 과정은 일반적으로 알칼리 또는 알칼리성 접지금속 또는 그 질산염인 용제 촉매에서 육각형 붕소 질화물(h-BN)이 용해된 후 고압, 고온(HPHT) 조건에서 c-BN의 자연 핵화가 뒤따르는 것이다.[10] c-BN의 수율은 복잡한 중간 단계 때문에 다이아몬드의 합성 경로에 비해 낮고 상당히 느리다. 철과 다른 금속 합금에서의 그것의 불용성 때문에 그것은 다이아몬드보다 몇몇 산업 용도에 더 유용하다.[29]

스팔레라이트 BN 구조

순수입방 보론 질화물은 투명하거나 약간 황색이다. 결함이나 붕소 초과(1%[10] 미만)에 따라 다른 색상이 연출될 수 있다. 결함은 알, B, Ti 또는 Si와 함께 용제 촉매(즉, Li, Ca 또는 Mg nitrides)를 도핑하여 생성할 수 있다. 이는 c-BN 결정의 형태학 및 색상의 변화를 유도한다.[30] 결과는 더 어둡고 큰(500μm) 결정으로 형상이 좋고 수확량이 더 높다.

구조 및 특성

질화 큐빅보론(Cubic boron)은 스팔라이트 결정 구조를 채택하고 있는데, 이는 다이아몬드의 탄소 원자를 각각 1개의 붕소 원자와 1개의 질소 원자로 교체해 만들 수 있다. 짧은 B-N (1.57 )) 본드는 다이아몬드 C-C 본드 길이 (1.54 ()에 가깝고, 이는 다이아몬드에서와 같은 방식으로 원자들 간에 강한 공밸런트 결합을 초래한다. B-N 채권의 공정이 C-C 채권에 비해 약간 감소하면 다이아몬드용 GPA ~100에서 c-BN 48 GPA로 경도가 감소한다. 다이아몬드는 흑연보다 안정성이 떨어지기 때문에 c-BN은 h-BN보다 안정성이 떨어지지만 상온에서는 이들 형태 간 전환율이 미미하다.[29]

질화 큐빅보론(Cubic boron)은 고온에서 철, 니켈, 관련 합금 등에서 용해되지 않지만 금속보리드와 질화물의 층간 형성으로 금속과 잘 결합된다. 또한 대부분의 산에서도 용해되지 않지만, c-BN 에칭에 사용되는 LiOH, KOH, NaOH/NaCO23, NaNO와3 같은 알칼리성 용융염과 질산염에 용해된다.[31] 열과 금속으로 안정성이 뛰어나 기계적 용도에서 c-BN은 다이아몬드를 능가한다. BN의 열전도율은 모든 절연체 중 가장 높다. 또한 c-BN은 광원소자만으로 구성되며 X선 흡수율이 낮아 X선 흡수배경을 줄일 수 있다.[32]

연구개발

c-BN은 화학적, 기계적 강건성 때문에 절삭공구나 스크래치 저항성 표면과 같이 연마재로서 광범위하게 응용하고 있다. 질화 큐빅 붕소 또한 X선에 매우 투명하다. 이는 높은 강도와 함께 X선을 이용해 검사할 수 있는 구조물에 매우 얇은 c-BN 코팅이 가능해진다. 매년 전세계적으로 수백 톤의 c-BN이 생산된다.[33] 변경에 의해, c-BN의 미국 브랜드명인 보라존은 2,000 °C 이상의 온도에 견딜 수 있기 때문에 공구를 형상화하기 위해 산업 어플리케이션에 사용된다. 보라존 휠로 불리는 큐빅 보론 질화 코팅 연삭 휠은 경질 철금속, 주철, 니켈 베이스 및 코발트 베이스 슈퍼앨로이 가공에 일상적으로 사용된다. 엘보르나 큐보나이트와 같은 다른 브랜드 이름들은 러시아 판매상들에 의해 판매된다.[29]

연구의 새로운 접근방식은 c-BN 합성에 사용되는 장치의 c-BN 압력 능력 향상에 초점을 맞추고 있다.[10] 현재 c-BN 생산능력은 약 6 GPA의 압력으로 제한되어 있다. 압력 한계를 증가시키면 현재의 촉매 합성보다 더 큰 단일 결정의 합성이 허용될 것이다. 그러나 c-BN 합성에 초임계 조건에서 용매를 사용하면 압력 요건이 감소하는 것으로 나타났다.[10] c-BN의 높은 비용은 여전히 그것의 적용을 제한하고 있으며, 이것은 다른 초경량 소재에 대한 검색에 동기를 부여한다.

질화탄소

질화물 베타(β-CN)34의 구조는 1989년 에이미 류와 마빈 코헨이 처음 제안했다. 그것은 SiN과34 같은 구조로 되어있고 다이아몬드보다 더 단단할 것으로 예측되었다.[34] 계산된 결합 길이는 1.47 å으로 다이아몬드 내 C-C 결합 길이보다 5% 짧았다. 이후의 계산에 따르면 전단계수는 다이아몬드의 60%이며 질화탄소는 c-BN보다 덜 단단하다.[35]

20년 동안 이 화합물을 추구했음에도 불구하고34 CN의 어떤 합성 샘플도 경도 예측을 검증하지 못했다. 이는 합성의 어려움과 CN의34 불안정성에 기인한다. 질화탄소는 흑연-다이아몬드 변환보다 높은 압력에서만 안정적이다. 탄소가 4배와 6배 조화된 관계로 합성 조건에는 매우 높은 압력이 필요할 것이다.[10] 게다가 CN은34 철금속 기계에 사용된다면 카바이드 형성의 문제를 일으킬 것이다. 비록 출판물들이 언급된 것보다 더 낮은 압력으로34 CN을 준비한다고 보고했지만, 합성 CN은34 그렇게 어려운 것으로 증명되지는 않았다.[36]

질화 붕소

붕소, 탄소, 질소의 유사한 원자 크기뿐만 아니라 탄소 및 질소 폴리모르프의 유사한 구조도 세 가지 원소를 모두 포함하는 다이아몬드 같은 위상을 합성하는 것이 가능할 수 있음을 시사한다. B-C-O, B-O-N 또는 B-C-O-N을 함유한 화합물을 고압으로 만드는 것도 가능하지만, 이들의 합성은 복잡한 화학작용을 필요로 할 것으로 예상되며, 게다가 탄성성은 다이아몬드보다 열등할 것이다.

1990년부터 밀도가 높은 B-C-N 단계를 합성할 수 있는 가능성을 연구하는 데 큰 관심이 모아졌다. 다이아몬드보다 열과 화학적으로 더 안정적이고, c-BN보다 단단할 것으로 예상되며, 따라서 철합금의 고속 절단 및 광택에 탁월한 재료가 될 것이다. 이러한 특징적 특성은 탄소와 이질성 중 sp3 bon-bonds와 결합된 다이아몬드 같은 구조에서 기인한다. BCNxy 박막은 1972년 화학증기 증착에 의해 합성되었다.[37] 그러나 서로 다른 저자들이 보고한 B-C-N 밀도 단계의 합성을 시도한 데이터는 모순적이었다. 합성 제품이 질화탄소와 붕소 사이의 다이아몬드 같은 고체 용액인지, 아니면 고도로 분산된 다이아몬드와 c-BN의 기계적 혼합물인지 불분명하다. 2001년에는 흑연 유사(BN)0.48C의0.52 직접 고체상 전환에 의해 다이아몬드처럼 구조화된 c-BCN이2 18 GPA 이상과 2,200K 이하의 압력에서 합성되었다. 보고된 비커즈와 크누프 경도는 다이아몬드와 c-BN 사이에서 중간 수준이었으며, 새로운 단계가 두 번째로 가장 잘 알려진 소재가 되었다.[38] Ternary B–C–N 페이즈도 충격 압축 합성을 사용하여 만들 수 있다. 또한 실리콘이 포함된 분진 화합물까지 B-C-N 시스템을 확장할 것을 제안했다.[8][39]

금속 붕산염

탄소 기반 시스템과 달리 금속 붕산은 주변 조건에서 쉽게 대량 합성할 수 있어 중요한 기술적 장점이다.[9] 대부분의 금속 붕산염은 단단하지만 그중에서 특히 높은 경도(예: WB4,[41][42] RuB2, OsB2, ReB2)로 두드러진다.[40] 이러한 금속 붕산염은 반도체나 절연체가 아니라 여전히 금속이지만(페르미레벨의 상태 전자 밀도가 높기 때문에 표시됨) 추가적인 공밸런스 B-B와 M-B 본딩(M = 금속)은 높은 경도로 이어진다.[43][44] 오스뮴, 레늄, 텅스텐 등과 같은 고밀도 중금속은 전자 밀도가 높고, 작은 원자 반지름, 높은 벌크 모듈리, 붕소와 강하게 결합하는 능력 때문에 특히 단단한 붕산물을 형성하는 데 적합하다.

디보리드 오스뮴

OsB의2 결정구조

오스뮴 디보리드(OsB2)는 395GPA의 높은 벌크 계수를 갖고 있어 후보 초경도 물질로 꼽히지만 최대 달성 비커즈 경도는 37GPA로 초경도 40GPA 한계에 약간 못 미친다. OsB를2 합성하는 일반적인 방법은 OsCl3:MgB의2 2:3 혼합물을 포함하는 고체 상태의 메타텍스 반응에 의한 것이다.[9] MgCl2 제품이 씻겨 나간 후 X선 회절은 OsB2, OsB, Os의 제품을 나타낸다. 이 제품을 1천 °C에서 3일간 가열하면 순수 OsB2 결정체가 생성된다. OsB는2 6각으로 조화된 붕소 원자의 비 평면층으로 분리된 오스뮴 원자의 두 평면을 가진 직교롬 구조(공간군 Pmmn)를 가지고 있다. 격자 매개변수는 a = 4.684 å, b = 2.872 å, c = 4.096 are이다.[9] 결정의 b 방향은 가장 압축이 잘 되고 c 방향은 가장 압축이 덜 된다.[45] 이것은 정형외과 구조로 설명할 수 있다. a와 b 방향으로 붕소와 오스뮴 원자를 보면 서로 상쇄되는 방식으로 배열된다. 그러므로, 그것들이 압축되었을 때 그들은 서로 바로 위로 밀리지 않는다. 정전기억제는 재료의 비압력을 최대화하는 힘이며, 따라서 이 경우 정전기억제는 완전히 이용되지 않는다. c 방향으로 압축하면 오스뮴 원자와 붕소 원자가 거의 직접적으로 서로 일직선상에 있고 따라서 정전기 반발력이 높아 방향 c가 가장 적게 압축된다. 이 모델은 붕소가 격자 전체에 더 고르게 분포되어 있다면, 압축성이 더 높을 수 있음을 암시한다. 경도 측정과 결합된 전자 백스캐터 회절은 (010) 평면에서 결정체가 <001> 방향보다 <100>에서 54% 더 단단하다는 것을 보여준다. 이는 들여쓰기가 일정한 방향(비커즈 경도 시험으로 만든 들여쓰기와 관련)을 따라 얼마나 오래 걸리는가를 보면 알 수 있다. 원자의 정렬과 함께, 이는 <001> 방향(B-B = 4.10 å)에 없는 <100> 방향의 짧은 공밸런트 B-B(1.80 å)[9] 결합 때문이기도 하다.

레늄보리데스

레니움은 바람직한 물리적, 화학적 특성 때문에 초경질 금속 붕산염의 후보지로 선정되었다. 높은 전자 밀도, 작은 원자 반지름, 높은 벌크 계수를 가지고 있다. 붕소와 결합하면 공밸런스 본딩이 높은 크리스탈을 만들어 압축이 불가능하고 잠재적으로 매우 단단하다.[46] 레늄 붕산염은 ReB3, ReB732, ReB, ReB, ReB23, ReB, ReB37, ReB253, ReB를2 포함하여 광범위하게 조사되었다. 이들 물질은 각각 고유의 특성과 특성을 가지고 있다. 어떤 것은 초전도체로서 가능성을 보여주고 어떤 것은 독특한 탄성 및 전자적 특성을 가지고 있지만, 초경질 재료와 가장 관련이 있는 것은 ReB이다2.[46]

Renium diboride(ReB2)는 1960년대에 처음 합성된 내화성 화합물로, 호 용해, 구역 용해 또는 광학 부유 구역 용해로를 사용한다. 이 물질의 합성은 플럭스 방식으로, 알루미늄이 과다한 알루미나 도가니에 레늄 금속과 아모르퍼스 붕소를 넣어 행해진다. 이 값은 R:B:에 대해 1:2:50의 비율로 실행할 수 있다.알, 과잉 알루미늄을 배지로 하여. 도가니는 알루미나 튜브에 넣어 아르곤 가스가 흐르는 저항성 가열 용광로에 삽입하고 1,400 °C에서 몇 시간 동안 소결한다. 냉각 후 알루미늄은 NaOH에 용해된다. 각 Reb2 B 합성 경로에는 자체적인 단점이 있으며, 이것은 크리스털 격자에 통합된 알루미늄을 작게 포함시킨다.[47]

레늄 디보리드는 2,400 °C에 육박하는 매우 높은 녹는점과 비등방성 적층 결정구조를 가지고 있다.[47] 그것의 대칭은 위상에 따라 육각형(공간군 P6mc3) 또는 직교형(Cmcm)이다. 거기서 (001) 평면을 따라 푸커로 된 삼각형 붕소 층과 촘촘히 포장된 Re 층이 번갈아 나타난다. 이것은 위에서 오스뮴 디보리드의 예에서 볼 수 있다. ReB에2 대한 상태 밀도는 금속 붕산염 중 가장 낮은 값 중 하나로서 강한 공밸런트 결합과 높은 경도를 나타낸다.[46]

이 재료의 비등방성 특성 때문에 경도는 결정 방향에 따라 달라진다. (002) 평면은 가장 공밸런스한 특성을 가지고 있으며 최대 비커즈 경도 값이 40.5 GPA인 반면 수직 평면은 38.1 GPA로 6% 낮았다. 이러한 값은 부하가 증가하면 감소하며, 각각 28 GPA로 안정화된다. 나노진도 값은 (002)와 수직면 각각 36.4 GPA와 34.0 GPA인 것으로 밝혀졌다. 경도 값은 재료 순도 및 성분(보리드가 단단할수록 붕소)에 따라 달라지며 위의 값은 약 1.00:1.85의 Re:B 비율에 대한 값이다. Rhenium diboride는 보고된 벌크 계수가 383 GPA이고 전단 계수가 273 GPA이다.[47][48] 레늄 디보리드 및 다른 대부분의 재료의 경도는 시험 중 하중에 따라 달라진다. 위의 약 40 GPA 값은 모두 0.5–1N의 유효하중으로 측정되었다. 이러한 낮은 부하에서 경도 값은 c-BN의 경우 100 GPA를 초과하는 등 다른 재료에 대해서도 과대평가된다.[4] 다른 연구자들은 낮은 부하에서 높은 Reb2 B 경도를 재현한 반면, 3–49 N의 더 일반적인 부하에서 19–17 GPA의 훨씬 낮은 값을 보고했는데, 이는 Reb을2 단단한 재료로 만들지만 초경질 재료로 만들지는 않는다.[4][13][49]

레늄디보라이드는 온도가 감소함에 따라 증가하는 금속 전도성을 보이며, 각각 레늄과 붕소의 d와 p 겹침으로 인해 상태 밀도가 0이 아닌 것으로 설명할 수 있다. 이쯤 되면 금속성이 있는 유일한 초경질 소재다. 이 물질은 또한 상대적으로 높은 열 안정성을 보인다. 가열방법에 따라 흡수수 상실로 인한 낙하량이 600~800℃까지 유지된다. 1,000 °C에 육박하는 온도에서 질량의 소손실을 볼 수 있다. 느린 열 램프를 사용할 때 더 좋은 성능을 발휘한다. 약 1,000 °C에서 이 작은 강하의 일부는 붕소가 고체에서 침출되어 보호 코팅의 역할을 하면서 표면에 둔한 BO23 코팅이 형성되어 붕소 손실을 추가로 감소시킴으로써 설명되었다. 이것은 메탄올에 의해 쉽게 용해될 수 있으며, 메탄올의 원초적인 반짝임 상태로 원상복구된다.[47][48][50]

텅스텐 보리데스

초경질 텅스텐 사트라보리드의 발견은 붕소와 함께 불압력 전이 금속을 공동 결합하는 유망한 설계 접근방식에 대한 추가적인 증거다. WB는4 1966년 처음 합성돼 텅스텐의 최고 붕소로 확인됐지만,[51] 2011년 저렴한 초경질 소재로만 인정받았다.[52]

흥미롭게도, 텅스텐 디보리드 같은 텅스텐의 하부 붕산은 매우 단단하지 않다. 붕소 함량이 높을수록 경도가 높아지는데, 이는 짧고 공가 붕소-보론 및 붕소-금속 결합의 밀도가 증가하기 때문이다. 그러나 연구자들은 결정구조에서 니오비움과 탄탈룸과 같은 다른 전이 금속을 소수 추가함으로써 WB를2 초경도체제로 밀어넣을 수 있었다.[53] 이 경도 강화 메커니즘은 고체 용액 강화라고 불리며, 크기가 다른 원자들이 탈구 운동을 방해하기 위해 부모 격자에 통합되기 때문에 발생한다.

보라이드 알루미늄 마그네슘

알루미늄 마그네슘 붕사이드 또는 BAM은 알루미늄, 마그네슘, 붕소의 화학 화합물이다. 그것의 명목 공식은 AlMgB인14 반면, 화학 성분은 AlMgB에0.750.7514 더 가깝다. 착용 저항성이 높고 슬라이딩 마찰 계수가 낮은 세라믹 합금이다.

기타 붕소가 풍부한 초경질 소재

보론 카바이드
BO의6 결정구조

다른 단단한 붕소가 풍부한 화합물로는 BC와4 BO가6 있다. 아모르퍼스 a-BC의4 경도는 약 50 GPA로 초경도 범위에 있다.[54] 그것은 붕소 이코사헤드라 같은 결정체가 무정형 매체에 박혀 있는 것으로 볼 수 있다. 그러나 BC의4 결정 형태를 연구할 때 경도는 30 GPA 정도밖에 되지 않는다. 이 결정체 형태는 붕소와 탄소 원자에 의해 연결된 붕소 이코사헤드라로 구성된133 BC와 동일한 스토이치측정법을 가지고 있다.[54] 아산화 보론(BO6)의 경도는 약 35 GPA이다. 그것의 구조는 8개의12 B 이코사헤드라 유닛을 포함하고 있는데, 이 유닛들은 림보헤드 세포의 정점에 있다. 두 개의 산소 원자가 (111) 회전 방향을 따라 위치한다.[55]

나노스트 구조 초경질 소재

나노수퍼하드 재료는 초경질 재료의 외연성 범주에 속한다. 분자 결함은 벌크 물질의 초경질 특성에 영향을 미치기 때문에 초경질 물질의 미세 구조가 그 물질들에게 그들 고유의 특성을 부여한다는 것은 명백하다. 나노 초경질 소재 합성에는 입자경계 경화를 통해 구조물 내에서 발생하는 마이크로 크랙을 최소화하는 데 초점이 맞춰져 있다. 마이크로 크랙을 제거하면 소재가 원래 강도의 3~7배까지 강화될 수 있다. 곡물 경계 강화는[56] 홀-페치 방정식으로 설명된다.

여기서 σ은c 임계 골절 응력이고 d 결정체 크기, σ과0 k는gb 상수다.

물질이 부서지기 쉬운 경우 그 강도는 주로 마이크로 크랙 형성에 대한 내성에 의존한다. a사이즈의0 미세균열 증식을 유발하는 임계 스트레스는 일반적인 공식에[56] 의해 주어진다.

여기서 E는 영의 계통이고, k는crack 미세균열과 응력의 성질과 형태에 따라 일정하게 의존하며 표면 응집력을 energy한다s.

재료의 평균 경도는 d(크리스탈라이트 크기)가 10nm 이하로 감소하면서 감소한다. 곡물경계 슬라이딩과 그에 따른 재료 연화 메커니즘이 많이 제안되어 왔지만, 여전히 자세한 내용은 파악되지 않고 있다. 곡물 경계 강화 외에도 탄성모듈리의 차이가 매우 큰 두 재료의 나노구조인 마이크로히터구조체 구축에 많은 관심을 기울였다. 이형 구조는 1970년에 처음 제안되었고 이론적으로 기계적 수단으로 분리될 수 없을 정도로 순서가 높은 얇은 층을 포함하고 있었다. 이러한 고도로 질서 정연한 이질 구조물은 단순한 혼합물보다 더 강하다고 믿어졌다. 이 이론은 Al/Cu 및 Al/Ag 구조로 확인되었다. Al/Cu와 Al/Ag의 형성 이후, 연구는 Cu/Ni, TiN/VN, W/WN, Hf/HfN 등을 포함한 다계층 시스템으로 확장되었다. 모든 경우에 격자 주기를 줄이면 경도가 증가하였다.[8] 나노 구조 재료의 일반적인 형태 중 하나는 집적된 다이아몬드 나노로드인데, 이것은 벌크 다이아몬드보다 단단하고 현재 알려진 것 중 가장 단단한 (150 GPA) 물질이다.[57]

참고 항목

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