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凯发k8国际 知识中心科研前沿为什么说金刚钻是硬度最大的材料?

为什么说金刚钻是硬度最大的材料?

时间:2023-01-10浏览次数:733

硬度是指材料抵抗其他物质刻划或压入其表面的能力。在实际应用中,由于测量方法不同,测得的硬度所代表的材料性能也不同。例如,晶体材料使用划痕硬度反映材料抵抗断裂破坏的能力,而金属材料采用的静载压入硬度表征材料抵抗塑性形变的能力,静载压入硬度是在静压下将一硬的物体压入被测材料的表面,以表面压入凹面单位面积上的荷载表示被测物体的硬度。因此,硬度没有统一的定义,各种硬度单位也不同,彼此间没有固定的换算关系。根据试验方法不同,常用的有邵氏硬度、布氏硬度、巴氏硬度、洛氏硬度(硬度计外形如图所示)和维氏硬度、显微硬度、莫氏硬度等。


金刚石是世界上最硬的材料。科学家将材料的莫氏硬度分为10级,1级称为1度。金刚石的硬度为10度,被称为硬度之王!

洛式温度计


材料的硬度取决于其化学组成和物质结构,离子半径越小,离子电价越高,配位数越小,则结合能越大,抵抗外力刻划和压入的能力就越强,所以硬度就越大。


硬度的尺度有两类,一类是绝对硬度,另一类是相对硬度,如莫氏硬度就是一种相对硬度,它不表示软硬的程度,只表示硬度由小到大的顺序,顺序在后面的材料能划破前面材料的表面。矿物学中通常所称的硬度多是指莫氏硬度,莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准,该方法由德国矿物学教授Mohs'Friedrich1824年创立而命名。确定这一标准的方法是,用棱锥型金刚石钻针刻划矿物的表面而产生划痕,用测得的划痕的深度来表示硬度。通常,以常见的十种矿物作为标准用相互刮擦以区分孰硬孰软,习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。莫氏硬度计以十种不同硬度的矿物为依据,相应地将硬度由低到高分为十个等级(见下表):

标准矿物莫氏硬度表

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各等级之间的差别并非均等。排在后面的矿物能刻划其前任一种矿物。

金刚石具有稳定的四面体结构,每个碳原子与其邻近四面体各角上排列的原子形成共价键,并且碳原子间的键长较短,这种较短的共价键具有很强的抗变形能力,因而金刚石具有很大的硬度。自从2700多年前被人类首次发现以来,金刚石一直被认为是自然界中最硬的材料。

使用时,用标准矿物与未知硬度的被测量矿物相互刻划。如该矿物能被磷灰石刻划,而不能被萤石刻划,则该矿物的硬度为4~5。没有标准硬度矿物时,也可以用日常用品来测定。如指甲硬度为2.5、硬币为3.5、刀刃为5.5、玻璃为6。大于6以上几乎都应属于宝石之类的矿物。作为宝石,通常都有较高的硬度。如蛋白石的硬度为5.5~6.5,水晶为6.5~7,锌尖晶石为7.5~8。金绿宝石为8.5,蓝宝石和红宝石的硬度为9,仅次于金刚石。

精确的测定矿物硬度还需用显微硬度计或测硬仪完成。如显微硬度计实际上是一台设有加负荷装置的显微镜。金刚石为目前地球上最硬的物质,如下表是金刚石与其他某些硬质材料硬度的对比,金刚石的诺氏硬度大约是石英的8.5倍,刚玉的4.4倍,碳化钨的3.7倍,碳化硼的3.1倍,立方氮化硼的1.56倍。


金刚石与某些硬质材料的硬度比较表

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金刚石硬度具有方向性,八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度,菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。金刚石在空气中的摩擦系数极小,只有0.1左右。因此金刚石的耐磨性和研磨能力是所有磨削材料中最好的。

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