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适用于极端区域的材料:硬度和耐热专家

时间:2023-08-08   访问量:90

多种产品可以采用现代手段由天然材料或塑料制成。最初听起来相对平庸的事情带来了一系列令人兴奋的问题。其中最简单的是:如何加工世界上最硬的材料?可以煮熔岩的锅必须由什么组成?

这些问题的答案有时很复杂,但也很有趣。钻石可以切割,同时也可以合成生产,这一事实不仅对科学家来说是一项有趣的任务。因为在材料科学和热力学的极端领域,常识一再达到其极限。大自然最后的秘密在工业应用中发挥着越来越重要的作用。毕竟,今天的进步首先在于克服可见或可测量的物理极限。即使在物理边界地区,这些进步也是现代工业的发动机。

耐久性测试:材料的机械划痕性

原则上,物理规则适用于几乎每种材料都必须有至少一种比被加工材料本身更硬、更耐热或更耐冷的材料,这样的材料称为“刀具材料”。他们有能力加工其他“较软”的材料,而无需额外的努力。然而,也有一些材料只能在工业相关时间内自行加工。

目前已知最硬的物质是金刚石。它的表面可以承受任何其他天然材料。

硬度和耐热性:合理连接

最耐热的材料也是最硬的。矿物质是最坚硬的材料之一,因此也是最耐热的材料。德国-奥地利矿物学家弗里德里希·莫氏研究了这一事实,他的研究最终形成了莫氏硬度,该硬度对不同材料的硬度进行了分类。金刚石是我们所知的最耐用的天然工具材料。它的硬度为 10 莫氏。作为最坚硬的天然矿物,钻石划定了顶部封闭的刻度。

钻石只能用钻石粉砂纸切割。这之所以有效,是因为钻石的内部结构在所有方向上的硬度并不相同。直到 2010 年,弗劳恩霍夫材料力学研究所的科学家们才对为什么世界上最硬的材料也可以用硬度较低的材料进行研磨提出了第一个合理的解释。实际上,几个世纪以来,钻石的磨削技术就已为人所知。秘密在于其他事情 因为钻石在某些方向上表现出弱点,即其各向异性。这个谜团的科学解决方案是在原子水平上。暂时需要注意的是 激光束还利用了所有材料的最大弱点:它们的表面。这是“边缘”所在的位置,材料的原子在此处提供与其环境中的原子可用的接触点。激光束可以直接“混合”这个边界边缘。材料的表面基本上总是脆弱的。钻石仍然无法做到的事情是:完美的圆形切工。

市售的“圆形切割”钻石(即仅在行业中被称为圆形切割的钻石)仍然具有大量单独的刻面切割 - 并且仅在用肉眼观察时看起来相当圆形。对于科学来说,一个安慰仍然是——钻石只有通过实际上“不完美”的刻面切割才能获得其无与伦比的光学魅力!

材料和热量:温度计应该有多精确?

比能够加工地球上最坚硬的材料的可能性更令人着迷的是,钻石甚至可以人工生产——数量相当可观。即使它们的尺寸只有几毫米并且并非完美无瑕,钻石的工业生产也是人类不断追求研究的一个很好的例子。这就是工业陶瓷发挥作用的地方 - 作为工业生产中使用的最硬、因此最耐热的材料和工具材料。在陶瓷烤箱中,可以达到可用于“烹饪”钻石的温度。然而,钻石需要压力和热量的相互作用才能从碳中形成坚硬的晶体。另一方面,在人造钻石的生产中,压力比温度起着更重要的作用。通过所谓的立方压机,可以产生高达 80,000 巴的能源密集型压力,从而将碳的温度提高到 1,800 摄氏度,以模拟天然钻石曾经形成的条件。因此,只有陶瓷可以被视为印刷机的工具材料。高品质氧化物陶瓷可以承受超过 1,900 摄氏度的温度,直到达到其自身材料疲劳的极限。然而,为了能够解释大自然是如何形成钻石的,人们需要极其耐热且非常长的温度计。这是确定的唯一方法 真正的钻石是如何形成的,并在数百万年的时间里,在约 150 公里的深度形成。这一自然奇观至今尚未被破解。

结论:最新发现还是科学废话?

媒体上发表的悖论唯一需要补充的是,钻石作为世界上最坚硬的材料,也可以在800摄氏度左右的温度下燃烧:持续不断的火或许也可以将陶瓷烤箱从里面掏空。里面。22 摄氏度的室温可能足以维持数百万年的时间。

毕竟,热切的科学家正在解开越来越多的自然奥秘,从而推动工业进步。仅仅在几年前,制造带有金刚石涂层的用于加工硬质材料的工具或钻头还是不可想象的。在不久的将来,科学将会解开更多至今仍令人困惑的谜团。正如阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过的那样:“科学发展的进步实际上是对奇迹的不断逃避”。

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