Что крепче алмаз или металл
Обновлено: 04.10.2024
Бриллиантами люди интересовались еще с давних времен. И не странно, так как эти камни сражают своей красотой наповал: от прекрасных самоцветов нельзя отвести взгляд и хочется их носить просто постоянно.
Но помимо внешних качеств, многие обращают внимание на твердость алмаза. Эти камни обладают несравненными по качеству характеристиками, за счет чего минералы применяются во многих сферах жизни человека, начиная от ювелирного дела и заканчивая изготовлением космических кораблей.
Сегодня мы разберемся с тем, какой твердостью обладает алмаз, и бывают ли вещества или материалы тверже.
Почему алмаз имеет большую прочность чем графит
Для того чтобы разобраться в вопросе, следует копнуть немного глубже.
Алмаз – это минерал, кубической аллотропной формы углерода. При нормальных условиях материал метастабилен, другими словами, он может существовать неограниченно долго в своей твердой прозрачной форме. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах алмаз постепенно переходит в графит.
Итак, из определения следует, что по своей сути алмаз – это видоизмененный при определенных условиях графит. Что же происходит при воздействии вакуума или инертных газов на камень? Книги говорят, что возникают особые процессы в кристаллической решетке.
Тут надо немного углубиться в химию школьного курса. Четыре валентных электрона позволяют углероду, составной частью обоих описываемых материалов, образовывать связи с четырьмя другими атомами углерода. Это могут быть:
- четыре прочные связи;
- три особо прочных соединения и одна слабая связь.
Если связи соединяют атомы в монослои, по которым свободно движутся электроны слабых связей, слегка скрепляя эти слои между собой, то получается графит. Причем его свободные электроны поглощают свет любой частоты, делая графит непрозрачным.
В решетке алмаза электроны зафиксированы в одинаковых прочных связях. Поэтому алмаз получается твердым прозрачным диэлектриком.
При образовании прочных связей получается алмаз. Электроны камня поглощают свет только на частотах возбуждения межатомных связей. Эти частоты не попадают в видимую часть спектра, поэтому алмаз прозрачен.
Можно ли бриллиант разбить молотком
Существует вопрос: чем можно сломать алмаз и можно ли это сделать в принципе. Тут ответ никак не может быть совершенно однозначным, так как никто не знает, о каком «убиваемом» алмазе идет речь – например, о малюсеньком камне или огромной глыбе, и каким молоточком размахивают.
Давайте рассмотрим разные случаи. Например, у вас на столе лежит малюсенький хрупкий камешек, на который вы готовите покушение. Конечно, если вы со всех сил ударите по нему молоточком, то красавец расколется. Это произойдет по той причине, что у ограненного камня есть острые ребра, которые и являются самыми слабыми местами.
Если вы машите молотком для разделения алмазов от других минералов методом выдержит удар или нет, то лучше вам посоветовать более демократический способ отбора.
Теперь рассмотрим другой случай. Вы оказались в пещере много тысячелетней давности. Вы с фонарем в шлеме при полном обмундировании. И тут в глыбе породы вы увидели что-то непонятное огромных размеров. Это предположительно алмаз килограммов на 10. Если вы по нему стукните молотком, то ничего в жизни камня не изменится. Так как для этого красавца огромного телосложения и веса ваш удар будет, как укус комарика для буйвола.
Однако и это не все. Например, вы добыли из породы один огромный неправильной формы камень. Что можно с ним сделать? Правильно, огранить. Как это делается? Огранка самых дорогих и ценных минералов до сих пор производится частично вручную. Красавца отдают мастеру, который должен полностью исследовать самородок, отделить в нем пустоты, помутнения и разбить на отдельные части. Так вот, для анализа формы может уйти до нескольких лет работы. Дело в том, что если правильно ударить огромный алмаз, он красиво раскалывается на более мелкие идеальные по твердости и прочности собратья. Раз стукнул – и алмаз рассыпался.
Вот такие вот выводы. Поэтому если вы решили махать молотком над прекрасным камнем, то спешим вас предостеречь: они могут рассыпаться.
Можно ли бриллиант поцарапать
Если вы хотите отличить царапания бриллиант от других материалов при помощи метода, то это дело действенное, однако может привести к печальному результату.
Поясним все на простом примере. Представьте себе, что вы взяли в одну руку острое стекло, а в другую пластик. Проведите стеклом по пластику. Все мы понимаем, что след останется. Почему? Да потому что стекло по твердости намного выше обычной пластмассы. Теперь проведем опыт наоборот. Вы можете царапать пластиком стекло до изнеможения, но толку не будет, так как этот материал гораздо менее твердый.
Такая же самая ситуация и с бриллиантами. Если у вас в руке обычный качественный алмаз, то чем бы вы его не царапали, следы не должны остаться. Так как прочность алмаза считается самой высокой из всех известных видов драгоценных и поделочных камней. А вот настоящий бриллиант поцарапает все что угодно.
Теперь вернемся к вашей ситуации. Например, вместо алмаза вам подсунули в украшении хрусталь или фианит. Умные книги говорят, что твердость этих красавцев находится в диапазоне от 7,0 до 9,0. Если вы поцарапаете минерал бриллиантом, то след обязательно останется. Вы будете расстроены, и камень будет испорчен. Поэтому призываем вас не проходить камни сортировкой «варварскими» методами. Лучше обратиться к специалистам.
Сравниваем. Что крепче, алмаз или.
Теперь давайте немного образуемся и выясним, а существуют ли ювелирные и другие камни тверже алмаза?
. корунд?
Корунд – это минерал, состоящий из оксид алюминия (III), кристаллического глинозема. Самородок имеет огромное количество разновидностей, о которых было известно еще в Иерусалиме и Древнем Египте, откуда корунды попали в Индию, где и приобрели настоящую славу и свору поклонников.
Разновидности корунда:
- Рубин (устаревшее название «красный яхонт») – красный, бордовый, розовый, прозрачный. Рубиновая окраска камня возникает из-за присутствия хрома. Твердость 9.
- Наждак – темный, непрозрачный, сплошной мелкозернистый (смесь корунда с магнетитом, гематитом, кварцем и др.). По шкале Мооса наждак имеет твердость от 7 до 8 единиц в зависимости от количества содержания в нем корунда и других примесей.
- Сапфир (устаревшее наименование «синий яхонт») – небесный, синий, голубой, прозрачный. Окраску придает минералу титан. Твердость 9.
- Падпараджа (восточный топаз) – желтый, прозрачный самородок. Твердость 9 из 10 по шкале Мооса.
- Ориент-аметист (еще восточный аметист) – темно-розовый, фиолетовый, прозрачный красавец. Этот минерал достаточно твердый, но минералогической шкале Мооса получил 7-ку, что чуть меньше топаза .
- Ориент-изумруд (или восточный изумруд) – яркий зеленый прозрачный камешек. Об этом красавце поговорим позже.
- Лейкосапфир – бесцветный. Твердость этого камня по шкале Мооса составляет 9-ке. Благодаря такой высокой характеристике, а также блеску, самоцвет легко и удобно гранить и полировать.
Алмаз тверже корунда по шкале Мооса, так как по эта характеристика равна 9-ке.
. гранит?
Что такое гранитный камень, знает, наверно, практически любой более или менее образованный человек. Также многие спокойно представляют, что делают из гранита. Данный материал, известный людям с незапамятных времен, в наше время используется повсеместно: для изготовления столешниц, отделки фасадов зданий, создания скульптур и прочее. Одна из самых древних пород, рожденная в земной коре и образованная в виде скал, обладает многими замечательными качествами и свойствами.
Твердость алмаза в баллах принято считать равной 10 или 100, в зависимости от шкалы измерений. 10 – это для системы Мооса, а 100 – для шкалы Роквелла.
Прочность алмаза намного выше чем у гранита. Эта характеристика по Моосу для гранита составляет от 6 до 7 единиц.
. изумруд
Изумруд – это один из самых прекрасных зеленых ювелирных камней. В живой природе очень не часто удается отыскать полностью прозрачный экземпляр. Но такие находки ценятся достаточно высоко. В основном же в этих самоцветах присутствуют трещины, пузырьки и замутненные участки. Цвета изумрудов чаще всего представлены различными оттенками зеленого.
Твердость изумруда по Моосу составляет от 7,5 до 8 единиц. Поэтому если вы захотите алмазом поцарапать изумруд, то вам это удастся.
. железо?
Железо – хорошо обрабатываемый металл, который имеет яркий серебристо-белый цвет. Материал обозначается в химии символом Fe (лат. Ferrum). Железо считается одним из самых распространенных металлов в земной коре.
В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает ярко выраженным металлическим блеском. Твердость по шкале Мооса равна четырем.
. золото?
Нет человека, который не восторгался бы красотой золота. Ярко-желтый металл стал известен людям несколько тысяч лет. Однако в природе золото многолико. Размер его частиц колеблется от микрон до десятков сантиметров, цвет, из-за примесей, не всегда желтый. Встречается несколько минералов, похожих на золото по внешнему виду. Не зря существует поговорка «не все золото, что блестит». Чтобы успешно находить золото, ориентироваться в его ценности, не путать с похожими минералами, нужно знать свойства золота, где и как оно встречается в природе.
Золото – это чрезмерно мягкий металл. Твердость желтой драгоценности составляет от 2,5…3,0 по 10-балльной шкале твердости (шкале Мооса).
В полевых условиях твердость проверяют, прежде всего, с помощью ножа. Его острием проводят по поверхности изучаемого минерала. Если нож оставляет царапину, значит твердость меньше 5.
Золото, имеющее твердость 2,5…3,0, не только легко царапается, но и при значительном усилии режется ножом. На нем можно оставить след даже сильно прикусив зубами. «На зуб» раньше пробовали золотые монеты. На поддельных монетах из меди сделать отметину зубами невозможно, а на золотой монете имея крепкие зубы отметку поставить можно. Проверка на твердость – это важный тест для отличия золота от похожих по цвету металлов или минералов.
. титан?
Титан – это химический элемент с порядковым номером таблицы 22. Или еще материал известен как легкий серебристо-белый металл. Титан сочетает в себе самые необычные характеристики: легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур. О как.
Титан значительно тверже алюминия и по этой характеристике приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Твердость алмаза по шкале Мооса составляет 10, тогда как у титана этот показатель равен приблизительно 6.
. обсидиан?
Обсидиан известен со времен древнего человека. Орудия из вулканического стекла, как еще называют эту магматическую горную породу, ученые находят при раскопках на бывших стоянках древних поселений. Все дело в том, что у этого камня очень острый скол. Древние поселения майя делали из обсидиана копья, колья, а также различные украшения.
Современные ученые по историческим артефактам из обсидиана изучают миграционные пути и контакты древних поселений.
Обсидиан – это минерал, который образуется в результате быстрого охлаждения магматической породы. Это знакомый всем из школьного курса перлит, только с гораздо меньшим содержанием воды – всего 1%. Твердость камня составляет от 5 до 6 единиц, что приблизительно вполовину меньше, чем у алмаза.
. базальт?
Базальт – магматическая порода. Окраска темная: черная или темно-серая. Структура: плотное строение. Твердость по шкале Мооса от 5 до 7.
Образование базальтов происходит при излиянии и застывании лавы основного состава, как на поверхности континентов, так и в глубинах океанов. Базальты являются практически самой распространенной горной магматической породой на нашей планете, основная масса которых образуется именно в океанах, в срединно-океанических хребтах, формируя основание тектонических океанических плит земной коры.
Базальтовые заготовки практически не подвергаются вторичным процессам обработки после собственно образования, являясь типичной вулканической породой.
Что тверже и крепче алмаза: самое ли твердое вещество
Многие сегодня задаются вопросом: алмаз самое твердое вещество или нет и какое вещество близко по твердости алмазу? Ученые сегодня отмечают, что бриллиант уже давно не является самым твердым материалом. Натуральные алмазы имеют твердость около 150 гигапаскалей, но первое место в перечне самых твердых занят ультратвердый фуллерит с показателем от 150 до 300 ГПа.
Ультратвердыми минералами в науке называют все, что тверже алмаза, материалы мягче бриллианта, но тверже нитрида бора обозначают как сверхтвердые.
Фуллериты – это материалы, состоящие из фуллеренов, молекул углерода в виде сфер, образованных 60 атомами. Эта штука была синтезирована более двадцати лет назад, и за его открытие вручена Нобелевская премия.
Углеродные сферы в составе фуллерита могут быть по-разному упакованы, и твердость материала очень сильно зависит от того, как именно они связаны между собой.
Достоверных, и проверенных методов, позволяющих получать это перспективное вещество в промышленных масштабах, пока не существует. С практической точки зрения сверхтвердая форма углерода интересна в первую очередь специалистам по обработке металлов и других материалов, тут все просто, чем тверже режущий инструмент, тем дольше он служит и тем качественнее можно обрабатывать детали.
Т.е. получается, что уже алмаз не самый твердый из всех минералов. Да, наш прелестный камень уже обскакали.
Невозможность синтеза фуллерита сегодня в больших количествах обусловлена очень высоким давлением, которое необходимо применить для возбуждения реакции возникновения вещества. Образование трехмерного полимера начинается при давлениях от 13 ГПа или 130 тысяч атмосфер, и создать такое колоссальное давление в большом объеме современная техника пока не позволяет.
Итак, надеемся, что у вас теперь хватит образованности в сфере алмазов. Из сказанного очевидно, что алмаз – это эталон твердости, с которым сравнивают практически все материалы, начиная от камней и заканчивая такими металлами, как титан или железо. Независимо от того, что уже найдены материалы тверже алмазов, все равно этот камень на века стал частью науки и красоты.
Какой самый твердый материал на Земле?
Алмаз оценивается по шкале твердости Мооса на 10 баллов, что говорит о том, что это самый твердый природный материал, когда он подвергается царапинам. Однако, по прогнозам, лонсдейлит, вещество, обнаруженное в метеоритах, будет еще более твердым, чем алмаз.
Спросите любого любителя науки: "какой самый твердый материал?" - и он, несомненно, ответит: "Алмаз".
На протяжении десятилетий люди использовали безупречную твердость алмаза для интенсивной резки. Кроме того, учитывая его способность красиво взаимодействовать со светом, бриллианты являются крайне желанным украшением для женщин. Но действительно ли алмаз - самый твердый материал на Земле?
Ну, почти… ученые обнаружили потенциального соперника, который, как полагают, даже тверже, чем алмаз.
Самое твердое вещество природного происхождения на нашей планете
Когда дело доходит до природных твердых веществ, алмаз является явным победителем. Благодаря своей компактной структуре его очень трудно превзойти по твердости. Теперь возникает вопрос… как мы измеряем твердость?
Измерение твердости
В материаловедении очень важна оценка твердости материала. Однако определить твердость не так-то просто. Таким образом, твердость можно измерить по-разному, в зависимости от контекста и применимости.
Шкала твердости Мооса
Одна из наиболее часто используемых шкал твердости - шкала твердости Мооса, разработанная немецким минералогом Фридрихом Моосом в девятнадцатом веке. По этой шкале твердость - это мера сопротивления, проявляемого одним материалом при царапании другим материалом. Шкала твердости Мооса варьируется от 0 до 10, где 10 означает самую твердую (наименее подверженную царапинам), а 0 - наименьшую твердость.
Шкала твердости минералов Мооса.
Алмаз получил 10 баллов по этой шкале, что ясно указывает на то, что это самый твердый натуральный материал, когда его подвергают царапинам. Чтобы понять, насколько хорош алмаз, рассмотрим сталь, которая известна своей твердостью и имеет только 4,5 балла по этой шкале!
Так вот, измерение твердости по стойкости вещества к царапинам одобрялось далеко не всеми. Таким образом, ученые начали искать альтернативный метод измерения твердости. Была разработана еще одна методика определения твердости, в которой для оценки твердости использовался индентор.
Тест твердости по Виккерсу
Один из самых известных тестов для определения твердости с использованием индентора - это тест твердости по Виккерсу. При этом методе испытания на твердость индентор в форме пирамиды прижимается к материалу, твердость которого необходимо оценить. На данный материал в течение определенного времени прилагается определенное усилие. После этого индентора измеряется степень вмятины на материале. Это делается путём измерения площади поверхности вмятины, нанесённой индентором на материал. Здесь снова было установлено, что алмаз является самым твердым природным материалом на Земле.
Что делает бриллиант таким твердым?
В этот момент вы можете спросить себя, что делает бриллиант таким твердым? Ответ кроется в молекулярной структуре этого блестящего элемента. Алмаз - это аллотроп углерода, состоящий из пяти атомов углерода, которые разделяют электроны друг с другом в структуре тетраэдрической решетки. Ковалентная связь между этими атомами углерода чрезвычайно прочна, и ее очень трудно разорвать при комнатной температуре.
Алмаз как тетраэдрическая структура углерода.
Из-за этой прочной ковалентной связи у алмазов нет свободных электронов, что делает их плохим проводником электричества, но отличным проводником тепла. Фактически, алмаз примерно в пять раз лучше по теплопроводности, чем медь. Благодаря своей фантастической теплопроводности алмазы часто присутствуют в электрических деталях, например, в радиаторах.
Алмазы не непобедимы.
Прочитав это, вы можете почувствовать, что бриллианты непобедимы, но на самом деле это не так. Алмаз становится уязвимым при очень высоких температурах. Когда вы нагреваете алмаз выше 800 °C, его химические и физические свойства больше не остаются неизменными. Нарушение характерной прочности алмаза. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали. Характерная твердость алмаза нарушается. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали.
Поэтому ученые и исследователи давно ищут сверхтвердый материал, обладающий лучшей химической стабильностью. В 2009 году исследователи, работавшие в сотрудничестве из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады, заявили, что нашли два материала, которые могут победить алмаз в его собственной игре!
Две предложенные потенциальные претендентки на самое твёрдое вещество были: Нитрид бора вюрцита (w-BN) и Лонсдейлит.
Вюрцит нитрид бора (w-BN)
Вюрцит нитрид бора (w-BN) имеет структуру, аналогичную структуре алмаза, но он состоит из атомов бора и азота, а также углерода. Вюрцит нитрид бора чрезвычайно редок и может быть обнаружен только после определенного типа извержения вулкана. Проведенное исследователями в 2009 году моделирование гексагональной структуры w-BN показало, что она на 18% тверже стали. Кроме того, w-BN химически более стабилен, чем алмаз при высоких температурах.
Лонсдейлит
Лонсдейлит состоит только из атомов углерода, как и алмаз, хотя и с другой структурой. И угадайте, что… лонсдейлит даже сильнее, чем w-BN! Интересно, что лонсдейлит - это космическое вещество, которое получается, когда богатый графитом метеорит ударяется о Землю. Моделирование вдавливания показало, что лонсдейлит на 58% прочнее алмаза, что делает лонсдейлит самым твердым веществом на Земле.
Подождите, есть загвоздка .
Однако в этих утверждениях о том, что w-BN и лонсдейлит сильнее алмаза, есть загвоздка. Эти утверждения основаны на программе моделирования, запущенной на компьютере, а не на физической проверке. Поскольку эти элементы чрезвычайно трудно найти, они еще не прошли физических испытаний для определения их твердости.
Тем не менее их моделирование предполагает, что эти более твердые, чем алмаз, материалы обладают хорошей термической и химической стабильностью; если мы сможем синтетически производить их в достаточно больших количествах, они могут оказаться переломными. Их можно было использовать как мощные фрезы, помещая их поверх других режущих инструментов. Кроме того, их стабильность при более высоких температурах сделала бы их полезными в космических полетах к Венере или Меркурию, которые имеют обжигающе высокие температуры.
Что ж, алмаз может теоретически потерять свою корону самого твердого материала, но он всегда останется королем драгоценных камней. Более того, утверждение о том, что лонсдейлит является самым твердым веществом, еще не подтверждено физически.
10+ самых твердых минералов в мире - По шкале Мооса
Твердость любого минерала определяется по их шкале Мооса, чем тяжелее минерал, тем выше его число Мооса. Шкала Мооса была разработана Фридрихом Моосом, немецким геологом и минералогом в 1812 году. Этот метод основан на способности одного минерала заметно царапать другие.
Хотя шкала Мооса не является точной и строго порядковой, она используется в геологии в основном для выявления различных минералов. Для проведения скрэтч-теста металлург использует склерометр или тернер-склерометр. Ниже приведен список 12 самых твердых минералов в мире.
10. Тальк
Твердость по Моосу - 1
Химическая формула - MgSi4O10 (OH) 2
Абсолютная твердость - 1
Тальк - это минерал, состоящий из гидратированного силиката магния. По шкале 10 самых твердых минералов тальк указан как 1 по шкале твердости по Моосу. Только цезий, рубидий с твердостью 0,2-0,3 и литий, натрий и калий с твердостью 0,5-0,6 мягче талька. Это распространенный метаморфический минерал в метаморфических поясах западных штатов США, западных Альп и в гималайском регионе.
9. Гипс
Твердость по Моосу - 2
Химическая формула -CaSo4 2H2O
Абсолютная твердость - 3
Гипс является сульфатным минералом, состоящим из дигидрата сульфата кальция. Это может быть использовано в качестве удобрения. Различные формы гипса основаны на древних скульптурах Месопотамии, Древнего Рима и Византийской империи. Орбитальные снимки с Марса разведывательного орбитального аппарата (MRO) указывают на существование гипсовых дюн в крайней северной области Марса. США, Бразилия, Индия входят в тройку стран с самыми большими запасами гипса в мире. Широко используется в почвенном кондиционере и тофу (соевый творог).
8. Кальцит
Твердость по Моосу - 3
Химическая формула - CaCO3
Абсолютная твердость - 9
Кальцит относится к карбонатной группе минералов и является наиболее стабильным полиморфом карбоната кальция. Кальцит является распространенным компонентом осадочных пород, большая часть которых образуется из мертвых морских организмов. Он имеет шкалу твердости по Моосу 3 и удельный вес 2,71. Одна из замечательных природных кальцитовых структур - пещера Снежная река в округе Линкольн, штат Нью-Мексико.
7. Флюорит
Твердость по Моосу - 4
Химическая формула - CaF2
Абсолютная твердость - 21
Флюорит или плавиковый шпат - это цветной минерал, и из-за его умеренной твердости он используется для изготовления украшений и других художественных работ. Флюорит также часто встречающийся минерал - Китай, Мексика, Южная Африка являются одними из крупнейших стран-производителей флюорита в мире. Его основное использование в оптике, где это используется в качестве материала окна. Оптические линзы также состоят из флюорита из-за его низкой дисперсии, вызывающей отсутствие или меньшую хроматическую аберрацию.
6. Апатит
Твердость по Моосу - 5
Химическая формула - Ca5 (PO4) 3 (OH-, CI-, F-)
Абсолютная твердость - 48
Апатит представляет собой группу фосфатных минералов, которые обычно известны как гидроксилапатит, фторапатит и хлорапатит. Это также один из немногих минералов, который производится и используется биологическими системами микроэкологии. Основное применение апатита - производство удобрений, поскольку он является хорошим источником фосфора. Образцы горных пород, собранные астронавтами во время программы «Аполлон», свидетельствуют о наличии следов апатита.
5. Ортоклаз полевого шпата
Твердость по Моосу - 6
Химическая формула - KAISi3O8
Абсолютная твердость - 72
Ортоклаз полевого шпата является важным минералом, который образует магматические породы. Ортоклаз является распространенным компонентом большинства гранитов и других вулканических пород. Это обычное сырье для изготовления стекол и некоторых керамических изделий, таких как фарфор, а также в качестве составляющей чистящего порошка.
4. Кварц
Твердость по Моосу - 7
Химическая формула - SiO2
Абсолютная твердость - 100
Кварц является вторым по распространенности минералом в земной коре только после полевого шпата. Есть много различных сортов кварца, найденных в Европе. Это важный компонент осадочных и метаморфических пород. Кристалл кварца обладает пьезоэлектрическими свойствами и широко используется в качестве кварцевого генератора. Кварцевые часы - знакомое устройство, использующее этот минерал.
3. Топаз
Твердость по Моосу -8
Химическая формула - AI2SiO4 (OH-, F-) 2
Абсолютная твердость - 200
Топаз является силикатным минералом алюминия и фтора, и его кристаллы в основном имеют форму пирамиды. Чистый топаз бесцветный и прозрачный, но обычно он окрашен примесями. Типичный топаз имеет желтый, бледно-серый, красновато-серый или сине-коричневый цвет. Большое количество топаза находится в Шри-Ланке, Германии, Норвегии, Нигерии, Австралии, Японии, Бразилии, Мексике и Соединенных Штатах.
2. Корунд
Твердость по Моосу - 9
Химическая формула - AI2O3
Абсолютная твердость - 400
Корунд - второй по твердости минерал в масштабе Мооса. Это кристаллическая форма оксида алюминия со следами железа, хрома, ванадия и титана. Чистый корунд прозрачен, но, с другой стороны, в присутствии примесей он может иметь разные цвета. Корунд разного цвета имеет разные названия, корунд красного цвета известен как рубин, а оранжево-розовый - падпарадша, а все остальные - сапфир.
1. Бриллиант
Твердость по Моосу - 10
Химическая формула - C
Абсолютная твердость - 1600
Алмаз является самым твердым известным природным минералом по шкале Мооса. Твердость алмаза зависит от его чистоты, а самый твердый алмаз может быть поцарапан только другими алмазами. Некоторые синие бриллианты являются естественными полупроводниками, некоторые - электрическими изоляторами, а остальные - электрическими проводниками.
Ежегодно добывается около 26000 кг алмазов, из которых 50% алмазов происходит из Центральной и Южной Африки. Многие недавние исследования показывают, что Алмаз больше не является самым твердым минералом на Земле и заменен следующим.
Вюрцит нитрид бора
На Земле существует очень небольшое количество нитрида бора вюрцита. Они либо найдены естественным путем, либо синтезированы вручную. Различные моделирования показали, что нитрид бора вюрцита может выдерживать на 18 процентов больше стресса, чем алмаз. Естественно, они производятся во время извержений вулканов из-за очень высоких температур и давления.
Лонсдейлит, также известный как шестиугольный алмаз, был назван в честь Кэтлин Лонсдейл, известного ирландского кристаллографа. Считается, что лонсдалеит на 58 процентов тверже алмаза. Лонсдейлит - это природный минерал, образующийся, когда метеориты, содержащие графит, ударяются о землю. Тепло и напряжение в результате удара превращают графит в алмаз, сохраняя при этом гексагональную кристаллическую решетку графита.
Список самых прочных материалов, известных человеку
Но прочность — это довольно широкое понятие, под которым скрывается множество свойств и допущений. Например, материал может быть прочным только в одном направлении, а в других хрупким. Поэтому наш список нельзя считать полностью объективным.
Стекловолокно
В 1932 году Рассел Слейтер создал новый прочный материал и использовал его в качестве теплоизоляции для зданий.
Стекловолокно имеет сопоставимые механические свойства, как полимеры и углеродное волокно. Несмотря на то, что стекловолокно не так прочно, как углеродное, оно намного дешевле и менее хрупко при использовании в различных композитах.
Стекло из микролегированного палладия
В 2011 году исследователи материалов из Калифорнийского технологического института совместно с лабораторией Беркли разработали новый тип металлического стекла с широким спектром свойств, которое намного прочнее стали.
Как следует из названия, это металлическое стекло изготовлено из палладия — металла с высоким коэффициентом жёсткости. Палладий снижает хрупкость стекла, но увеличивает его прочность.
Титановые сплавы
Такие сплавы чрезвычайно лёгкие и обладают высокой стойкостью к коррозии. Из-за этих свойств сплавы широко используются в кораблестроении.
При всех достоинствах титановых сплавов, они очень дорогие, а потому применение сильно ограничено в гражданском производстве. В основном материал используют в производстве военных судов и ледоколов.
Карбид вольфрама
Соединение карбида вольфрама состоит из равных частей атомов углерода и вольфрама. Он в основном используется для создания тяжёлых промышленных режущих инструментов и пуль большого калибра.
Лонсдейлит
Это природный минерал, образующийся при падении на Землю метеоритов, содержащих графит. Во время удара о поверхность вырабатывается тепло, которое превращает графит в алмаз под высоким давлением. При таком превращении сохраняется гексагональная кристаллическая решётка графита.
Лонсдейлит был назван в честь прославленного кристаллографа, родом из Ирландии, Кэтлина Лонсдейла. В прессе часто сообщалось, что лонсдейлит на 58% твёрже алмаза. Но это оказалось мифом. По шкале Мооса твёрдость минерала составляет 7–8 единиц.
Мартенситностареющая сталь
Это особая разновидность сверхвысокопрочных сталей, прочность которых определяется интерметаллическими соединениями, а не углеродом. Такие стали известны своей прочностью и твёрдостью, не теряя пластичности.
Одним из основных элементов, используемых в мартенситностареющей стали, является 25-процентная массовая доля никеля. Его лучшее соотношение веса и прочности, чем у большинства других сталей, позволяет широко использовать мартенсит в ракетах и обшивках ракет.
Вектран
Производится только японской корпорацией «Kuraray», а представляет собой химически стабильный полиэстер с высокой прочностью и термостойкостью.
В основном используются для закрепления электрических кабелей, канатов, а также в качестве одного из композитных материалов для высококлассных велосипедных шин. Есть и недостаток. Имея высокую прочность, материал легко трескается.
Кевлар
Впервые был использован в 1970-х годах не в военной технике, а в качестве замены стали в гоночных шинах. Материал получил широкое применение в промышленности, так как он в 5 раз прочнее стали.
Сейчас кевлар широко применяется в производстве велосипедных шин, парусов для гоночных яхт, пуленепробиваемых жилетов. Получил широкое применение в аэрокосмической отрасли.
Паучий шёлк
Эти произведения искусства паука выступают одним из самых твёрдых материалов, встречающихся в природе.
Прочность паучьего шёлка зависит от вида и от ряда других внешних факторов, таких как температура и влажность, во время тестирования. Но при подходящих условиях эта нить в 10 раз прочнее кевлара на растяжение.
Это интересно: Если паучья нить была бы длиной 40 000 километров, что равно длине окружности экватора, она бы весила около 500 граммов.
Карбид кремния
На фото: Минерал муссанит, который является природной разновидностью карбида кремния.
Этот материал составляет основу брони многих боевых танков. Он обладает высокой твердостью и прочностью, а также очень устойчив к радиации и химическим соединениям.
Patella vulgata
Этот вид морских улиток, широко известный как «европейский блюдец», в основном встречается в Западной Европе. Их зубы — один из самых прочных материалов, обнаруженных в живой природе.
Исследование 2015 года, опубликованное в журнале «Royal Society Journal», показало, что зуб европейского моллюска может быть прочнее, чем паучий шёлк, который официально является самым прочным природным материалом на Земле.
Вюрцит борная нанотрубка
Вюрцит нитрит бора — одно из самых редких веществ в мире. Они либо обнаруживаются естественным путём, либо синтезируются вручную. Материал назвали в честь прославленного французского химика Шарля Вюрца.
Различные симуляции показали, что борные нанотрубки из вюрцита могут выдерживать на 18% большее напряжение, чем алмаз. В природе они образуются во время извержений вулканов, под воздействием высоких температур и давления.
Buckypaper
Уникальный материал был создан американскими и бразильскими учёными. Сделан он из углеродных нанотрубок. Считается, что этот материал примерно в 50 000 раз тоньше, чем средний человеческий волос, и в 500 раз прочнее стали.
Ещё одна интересная характеристика Buckypaper в том, что она может рассеивать тепло, как латунь или сталь, и проводить электричество, как медь или кремний.
Зилон (Zylon)
Зилон специально разработан американским независимым институтом «SRI International» как особая разновидность термореактивного жидкокристаллического полиоксазола. Он в 1,6 раза прочнее, чем кевлар.
Zylon используется в ряде областей, где требуется очень высокая прочность и отличная термическая стабильность. Теннисные ракетки, сноуборды — вот некоторые из его известных применений.
Углеродное волокно
Диаметр таких волокон равен 5–10 микрометров и состоят они в основном из атомов углерода. У таких волокон есть ряд преимуществ перед сталью и сплавами.
У этих волокон высокая жёсткость, высокая прочность на разрыв, малый вес и высокая химическая стойкость. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической, военной отраслях. Широко используют их в производстве спортивного снаряжения.
Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Dyneema)
Dyneema — это прочное и сверхлёгкое полиэтиленовое волокно, которое в основном используется в качестве композитных пластин для создания бронированных автомобилей. Оно легче воды, а останавливает пули и в 15 лучше стали.
Также используется для изготовления альпинистского снаряжения, рыболовных верёвок, тетивы для лука. Он имеет высокий предел текучести 2,4 ГПа и низкий удельный вес 0,97 г/см³.
Алмаз
Такие свойства алмаза человек стал применять в промышленности, в качестве изоляторов и полупроводников. А алмазная крошка просто незаменима при резке высокотвёрдых материалов.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки, как алмаз и графит, являются производным аллотропов углерода в цилиндрической наноструктуре. Исключительная прочность и меньший вес являются причиной его ценности для электронной промышленности и нанотехнологий.
Кроме того, благодаря своей превосходной теплопроводности, электрическим и механическим свойствам углеродные нанотрубки являются основой многих отраслей промышленности.
Графен
Графен, пожалуй, самый прочный материал, известный людям. В нём один слой углерода, расположенный в треугольной решётке. Является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок.
Хотя графен производится в небольших количествах уже более века, первое изолированное открытие материала было сделано К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 году. Оба за свой вклад в развитие науки получили Нобелевскую премию в области физики.
Подведём итог
Подытоживая подборку уникальных материалов, отметим, что прочность любого материала измеряется его пределом прочности на разрыв, то есть сопротивлением любого материала перед разрушением под постоянным давлением. Сейчас в большинстве случаев прочность измеряют методом конечных элементов, который является самым эффективным.
Самые прочные металлы в мире: топ-10
Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.
Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие - настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.
А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:
- Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
- Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
- Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.
10. Тантал
У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.
Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.
9. Бериллий
А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.
Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.
Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.
8. Уран
Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.
Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения - ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.
7. Железо и сталь
Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.
Сталь - это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).
6. Титан
Титан - это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.
Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.
Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.
5. Рений
Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.
Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.
Россия - третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.
4. Хром
По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.
Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.
А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).
3. Иридий
Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.
Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.
2. Осмий
Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.
Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.
1. Вольфрам
Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).
Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых - Хуана Хосе и Фаусто д'Эльхуяра - к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.
Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.
Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности - для изготовления ракетных сопел.
Таблица предела прочности металлов
| Металл | Обозначение | Предел прочности, МПа |
|---|---|---|
| Свинец | Pb | 18 |
| Олово | Sn | 20 |
| Кадмий | Cd | 62 |
| Алюминий | Al | 80 |
| Бериллий | Be | 140 |
| Магний | Mg | 170 |
| Медь | Cu | 220 |
| Кобальт | Co | 240 |
| Железо | Fe | 250 |
| Ниобий | Nb | 340 |
| Никель | Ni | 400 |
| Титан | Ti | 600 |
| Молибден | Mo | 700 |
| Цирконий | Zr | 950 |
| Вольфрам | W | 1200 |
Сплавы против металлов
Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.
Чем выше прочность сплава - тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.
А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.
Читайте также: