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盤(pán)點(diǎn):世界十大超強(qiáng)材料


來(lái)源|科學(xué)畫(huà)報(bào)         編輯化學(xué)加

導(dǎo)讀

金剛石的摩氏硬度可達(dá)10、石墨烯有很好的彈性、最輕氣凝膠比空氣還輕,這些材料各具不同的優(yōu)異性能,使得它們應(yīng)用廣泛或者有很大的潛在用途。下文盤(pán)點(diǎn)了世界上的十大超級(jí)材料,看看它們是如何上榜的。


1.鉆石(金剛石)




金剛石是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的眾多天然存在中最堅(jiān)硬的物質(zhì)。金剛石摩氏硬度為10,絕對(duì)硬度是剛玉的4倍,石英的8倍。人工合成金剛石的方法主要有兩種,高溫高壓法及化學(xué)氣相沉積法。金剛石的用途非常廣泛,例如:工藝品、工業(yè)中的切割工具, 也是貴重寶石。


2.石墨烯




石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái),由碳原子組成的,只有一層原子的二維材料。石墨烯斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍,同時(shí)它又有很好的彈性,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。作為超薄、超強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良的一種新型納米材料,石墨烯被稱(chēng)為“黑金”,是“新材料之王”,科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”,極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。


3.碳炔




碳炔是碳原子聚集在一起形成的鏈,這些碳原子通過(guò)雙鍵或者交替的單鍵和三鍵連接在一起。碳炔被認(rèn)為是世界上最強(qiáng)韌的材料,強(qiáng)度超過(guò)鉆石40倍,是石墨烯強(qiáng)度的兩倍。碳炔在未來(lái)超高強(qiáng)度設(shè)備的發(fā)展中將有很重要的用途。


4.碳納米管 




碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成,因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為:?jiǎn)伪谔技{米管和多壁碳納米管。碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng),卻擁有良好的柔韌性,可以拉伸。碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍,重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱(chēng)“超級(jí)纖維”。近些年,隨著碳納米管及納米材料研究的深入,其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。


5.硼烯




硼烯與石墨烯中的碳一樣具有相同的六邊形晶格排列,但在每個(gè)六邊形中心還另有一個(gè)硼原子。硼烯在某個(gè)方向上比石墨烯的強(qiáng)度還要高。如此優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì),加上特殊的電學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì),硼烯的應(yīng)用前景將十分寬廣。硼烯因其優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)屬性,被科學(xué)界寄予厚望,或?qū)⒊蔀槔^石墨烯之后又一種“神奇納米材料”。


6.氣凝膠




氣凝膠,作為世界最輕的固體,已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。目前最輕的硅氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米,比空氣密度略低,所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”,其實(shí)非常堅(jiān)固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力,在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用它來(lái)進(jìn)行熱絕緣。


7.納米線(xiàn)




納米線(xiàn)是一種一維材料,在橫向上被限制在100納米以下,縱橫比在1000以上。碳納米管就是納米線(xiàn)大家族中的明星材料。根據(jù)組成材料的不同,納米線(xiàn)可分為不同的類(lèi)型,包括金屬納米線(xiàn),半導(dǎo)體納米線(xiàn)和絕緣體納米線(xiàn)。通常情況下,隨著尺寸的減小,納米線(xiàn)會(huì)體現(xiàn)出比大塊材料更好的機(jī)械性能,強(qiáng)度變強(qiáng),韌度變好。在電子、光電子和納電子機(jī)械器械中,納米線(xiàn)有可能起到很重要的作用。它同時(shí)還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線(xiàn)、場(chǎng)發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器。


8.氮化硼




氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?;瘜W(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮,具有四種不同的變體:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN)。立方氮化硼比金剛石還硬一些,其他種類(lèi)氮化硼硬度稍弱于金剛石。氮化硼具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的潤(rùn)滑性,以及優(yōu)良的電學(xué)性能,在電子、冶金、化工、宇航等尖端技術(shù)中具有極為廣泛的用途。


9.金剛砂




碳化硅是由美國(guó)人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí),在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物,當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為是金剛石的混合體,故取名金剛砂。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級(jí),稍稍低于金剛石(10級(jí)),具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,是一種半導(dǎo)體,高溫時(shí)能抗氧化。


10.鈦合金




鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種,最著名的合金有20~30種。鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn),廣泛用于工業(yè)生產(chǎn),主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。




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