10 nejtvrdších materiálů na Zemi – | CompMechLab – vývoj a aplikace digitálních dvojčat, digitální návrh, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC

Mnoho milovníků zajímavých faktů se zajímá o otázku, který kov je nejtvrdší? A na tuto otázku nebude snadné odpovědět. Samozřejmě, že každý učitel chemie snadno řekne správně, aniž by přemýšlel. Ale mezi běžnými občany, kteří naposledy studovali chemii ve škole, málokdo dokáže správně a rychle odpovědět. To je způsobeno skutečností, že od dětství je každý zvyklý vyrábět různé hračky z drátu a dobře si pamatuje, že měď a hliník jsou měkké a dobře se ohýbají, ale ocel naopak není tak snadné dát požadovaný tvar. Člověk se nejčastěji zabývá třemi jmenovanými kovy, takže o ostatních kandidátech ani neuvažuje. Ale ocel samozřejmě není nejtvrdší kov na světě. Abychom byli spravedliví, stojí za zmínku, že se vůbec nejedná o kov v chemickém smyslu, ale o sloučeninu železa a uhlíku.

Co je titan?

Nejtvrdším kovem je titan. Čistý titan byl poprvé získán v roce 1925. Tento objev vyvolal ve vědeckých kruzích senzaci. Průmyslníci na nový materiál okamžitě upozornili a ocenili výhody jeho použití. Podle oficiální verze dostal nejtvrdší kov na Zemi své jméno na počest nezničitelných Titánů, kteří byli podle starověké řecké mytologie zakladateli světa.

Podle vědců jsou dnes celkové světové zásoby titanu asi 730 milionů tun. Při současném tempu těžby fosilních surovin jich bude dostatek na dalších 150 let. Titan zaujímá 10. místo v přírodních rezervách mezi všemi známými kovy. Největším světovým producentem titanu je ruská společnost VSMPO-Avisma, která uspokojuje až 35 % globálních potřeb. Společnost se zabývá celým zpracovatelským cyklem od těžby rud až po výrobu různých produktů. Zaujímá asi 90 % ruského trhu s výrobou titanu. Asi 70 % hotových výrobků jde na export.

Titan je lehký kov stříbrné barvy s teplotou tání 1670 stupňů Celsia. Vykazuje vysokou chemickou aktivitu pouze při zahřátí za normálních podmínek nereaguje s většinou chemických prvků a sloučenin. V přírodě se nenachází v čisté formě. Běžné ve formě rutilu (oxid titaničitý) a ilmenitu (složitá látka skládající se z oxidu titaničitého a oxidu železnatého) rud. Čistý titan se izoluje slinováním rudy s chlorem a následným vytěsněním aktivnějšího kovu (obvykle hořčíku) z výsledného tetrachloridu.

Průmyslové aplikace titanu

Nejtvrdší kov má poměrně širokou škálu aplikací v mnoha průmyslových odvětvích. Amorfně uspořádané atomy poskytují titanu nejvyšší úroveň pevnosti v tahu a krutu, dobrou odolnost proti nárazu a vysoké magnetické vlastnosti. Kov se používá k výrobě leteckých dopravních těles a střel. Dobře se vyrovná s enormním zatížením, kterému auta čelí ve velkých výškách. Titan se používá i při výrobě trupů ponorek, protože odolává vysokému tlaku ve velkých hloubkách.

V lékařském průmyslu se kov používá při výrobě zubních protéz a zubních implantátů a také chirurgických nástrojů. Prvek se přidává jako legující přísada do některých jakostí oceli, což jim dává zvýšenou pevnost a odolnost proti korozi. Titan je vhodný pro odlévání, protože vytváří dokonale hladké povrchy. Používá se také k výrobě šperků a dekorativních předmětů. Aktivně se používají také sloučeniny titanu. Dioxid se používá k výrobě barev, bělení a přidává se do papíru a plastů.

Organické soli titanu se používají jako katalyzátor vytvrzování při výrobě barev a laků. Z karbidu titanu jsou vyrobeny různé nástroje a nástavce pro zpracování a vrtání jiných kovů. V přesném strojírenství se aluminid titanu používá k výrobě prvků odolných proti opotřebení, které mají vysokou bezpečnostní rezervu.

Nejtvrdší slitinu kovu získali američtí vědci v roce 2011. Jeho složení zahrnovalo palladium, křemík, fosfor, germanium a stříbro. Nový materiál se nazýval „kovové sklo“. Kombinuje tvrdost skla a plasticitu kovu. Ten zabraňuje šíření prasklin, jako je tomu u standardního skla. Materiál se přirozeně nedostal do široké výroby, protože jeho složky, zejména palladium, jsou vzácné kovy a jsou velmi drahé.

Úsilí vědců v tuto chvíli směřuje k hledání alternativních komponentů, které by zachovaly získané vlastnosti, ale výrazně zlevnily výrobu. Z výsledné slitiny se však již vyrábějí některé díly pro letecký průmysl. Pokud se podaří zavést do konstrukce alternativní prvky a materiál se rozšíří, je docela možné, že se stane jednou z nejoblíbenějších slitin budoucnosti.

Diamant stále zůstává etalonem tvrdosti a používá se v různých metodách měření mechanické tvrdosti materiálů (metody Rockwell, Vickers, Mohs). Existují však materiály, které jsou nejen tvrdostí srovnatelné s diamantem, ale v této charakteristice mu také předčí. V článku v časopise Popular Mechanics je jejich mikrotvrdost podle Vickerse uvedena pro srovnání materiálů. Supertvrdé materiály jsou takové, jejichž tvrdost přesahuje 40 GPa. U „standardního“ diamantu může tento ukazatel kolísat mezi 70 a 150 GPa v závislosti na jeho čistotě a způsobu výroby (tvrdost diamantu se zpravidla udává 115 GPa). Totéž platí pro ostatní materiály: jejich tvrdost se mění v závislosti na podmínkách syntézy vzorku a někdy se mění v závislosti na směru zatížení, které na ně působí.

1. Fullerit (až 310 GPa) Polymerizovaný fullerit je nejtvrdší látka v současnosti známá vědě. Jde o molekulární krystal – strukturu, v jejíchž uzlech nejsou jednotlivé atomy, ale celé molekuly (fullereny jsou jednou z alotropních modifikací uhlíku, tvarem připomínají fotbalové míče). Fullerit zanechává na povrchu diamantu škrábance, stejně jako na plastu. 2. Lonsdaleite (dříve 152 GPa) Předpověď existence lonsdaleitu se prakticky shodovala s jeho objevením v přírodě. Tento allotrop uhlíku, podobně jako diamant, byl nalezen v kráteru po meteoritu. Ale přírodní lonsdaleit, který pravděpodobně vznikl z grafitu, který byl součástí meteoritu, neměl rekordní tvrdost. Teprve v roce 2009 vědci dokázali, že v nepřítomnosti nečistot může být lonsdaleit tvrdší než diamant. Jeho vysoká tvrdost je dána přibližně stejným mechanismem, který funguje v případě wurtzitového nitridu bóru. 3. Nitrid wurtzitu bora (před 114 GPa) Nitrid boru s wurtzitovou (hustou šestihrannou) krystalickou strukturou je tvrdší, než se zdá: při zatížení dochází k lokálním strukturálním úpravám, přerozdělují se meziatomové vazby v jeho mřížce a tvrdost materiálu se zvyšuje o 78 %. 4. Nanostrukturovaný kubonit (až 108 GPa) Kubický nitrid boru byl poprvé připraven v roce 1957 Robert Wentorf (Robert H. Wentorf Jr.) pro společnost General Electric. V roce 1969 si společnost zaregistrovala ochrannou známku “Borazon” pro krystal. V SSSR byl kubický nitrid boru poprvé syntetizován v Ústav fyziky vysokého tlaku Akademie věd pod vedením Akademik L.F. Vereščagin. Od roku 1965 se elbor syntetizuje v průmyslovém měřítku pomocí technologie Abrazivní rostlina “Ilyich” (Leningrad). Jedinečné vlastnosti Cubonitu (také známého jako CBN, Borazon a Kingsongite) jsou široce využívány v průmyslu. Tvrdost kubonitu (kubická modifikace nitridu boru) se blíží diamantu a je 80−90 GPa. Díky Hall-Petchovu zákonu vede zmenšení velikosti krystalových zrn ke zvýšení tvrdosti a vědci prokázali, že nanostrukturou kubonitu lze zvýšit jeho tvrdost až na 108 GPa. 5. Nitrid uhlíkatého boru (až 76 GPa) Atomy dusíku, uhlíku a boru mají podobnou velikost. Uhlík a bor tvoří podobné krystalické struktury, které jsou vysoce tvrdé. Vědci se pokoušejí syntetizovat supertvrdé materiály skládající se z atomů všech tří typů – a ne bez úspěchu: například kubická modifikace BC₂N vykazuje tvrdost 76 GPa. 6. Karbid boru (až 72 GPa) Karbid boru, materiál běžný v moderním průmyslu, byl získán již v předminulém století. Jeho mikrotvrdost (49 GPa) lze výrazně zvýšit zavedením iontů argonu do krystalové mřížky – až 72 GPa. 7. Bór-uhlík-křemík (až 70 GPa) Slitiny na bázi systému bór-uhlík-křemík jsou extrémně odolné vůči chemickému napadení a vysoké teplotě, vyznačují se vysokou mikrotvrdostí dosahující 70 GPa (pro B₄CB₄Si) 8. Borid hořečnato-hlinitý (až 51 GPa) Slitina boru, hořčíku a hliníku je známá svým nízkým koeficientem kluzného tření (pokud by tento materiál nebyl tak drahý, daly by se z něj vyrábět stroje a mechanismy, které pracují bez mazání) a vysokou tvrdostí. tenké vrstvy AlMgB₁₄, získané pulzním laserovým nanášením, vykazují mikrotvrdost až 51 GPa. 9. Diborid rhenia (až 48 GPa) Mechanické vlastnosti sloučeniny boru a rhenia jsou velmi neobvyklé: v důsledku střídání různých atomů vrstva po vrstvě je diborid rhenia anizotropní, tj. při měření tvrdosti v různých krystalografických rovinách se získají různé hodnoty. Při zkoušce při nízké zátěži vykazuje diborid rhenia tvrdost 48 GPa, ale jak se zatížení zvyšuje, hodnota tvrdosti prudce klesá a ustálí se na přibližně 22 GPa. Někteří výzkumníci proto pochybují, zda by měl být diborid rhenia klasifikován jako supertvrdý materiál. 10. Monokrystalický suboxid boru (až 45 GPa) Suboxid boru, obsahující „nedostatečné“ množství atomů kyslíku, jasně demonstruje vlastnosti keramických materiálů: vysoká pevnost, chemická inertnost, odolnost proti otěru při relativně nízké hustotě. Suboxid boru je schopen tvořit zrna ve formě dvacetistěnů, které nejsou ani jednotlivými krystaly, ani kvazikrystaly – jedná se o dvojité krystaly skládající se z 20 „spojených“ čtyřstěnných krystalů. Tvrdost monokrystalů suboxidu boru je 45 GPa.