超硬材料的广泛应用及硫化碳炔的特性介绍

超硬材料广泛应用于各个领域，其重要性不言而喻。无论是航天飞机和宇宙飞船、石油钻探、深海潜艇，还是精密机床、武器加工、核能发电，凡是涉及高科技、精密的领域都离不开超硬材料。各国科学家也在这一领域努力研究，以求有更多发现，因为这些领域涉及一个国家的工业化、现代化、可持续发展。这些材料的广泛应用，也是一个国家综合实力的象征。

1 号碳炔

亚甲基自由基，又称羰基、碳一氢，是一种极不稳定的气体或自由基，仅由一个碳原子和一个氢原子组成，化学式为CH-，又称甲炔基。

单碳单氢

钻石因为碳的结构是三角形的，所以非常稳定，而碳炔则是在钻石的基础上，对其结构进行了进一步的加工固化，所以从现在的科学角度来看，碳炔是世界上最稳定、最坚硬的物体。碳炔的硬度是钢的200多倍，是钻石的40倍，是石墨烯的两倍。硫化碳炔作为一种结构极其简单的材料，是由一串单原子组成的，硫化碳炔的拉伸高度是钻石的三倍，拉伸强度是石墨烯的两倍。碳炔这种一维线性碳原子带的强度比任何材料都要硬、要强，其超强的硬度是前所未有、无可比拟的。碳纳米管和石墨烯的硬度为4.5×108牛顿米/千克，而碳炔可以达到109牛顿米/千克的强度。 这种材料拥有无与伦比的强度，需要10纳牛顿的外力才能破坏其单链结构，换算成强度可达6.0至7.5×107 Nm/kg，超过石墨烯的4.7至5.5×107 Nm/kg、碳纳米管的4.3至5.0×107 Nm/kg和金刚石的2.5至6.5×107 Nm/kg。

第二名：石墨烯

石墨烯管

石墨烯是迄今为止测试过的最坚固的材料。石墨烯是紧密堆积成二维（2D）蜂窝晶格的扁平单层碳原子，是所有其他维度石墨材料的基本组成部分。它可以堆积成零维（0D）富勒烯，卷成一维（1D）纳米管或堆叠成三维（3D）石墨。它的强度是钢的 200 倍，拉伸模量（刚度）为 1 TPA（150,000,000 psi）。1 平方米的石墨烯吊床可以支撑 4 公斤重的猫，但重量只有猫须的 0.77 毫克。

3 号六角形钻石

实验室生产的六角形钻石比天然钻石更坚硬

1967年，美国通用电气公司生产出一种折射率和密度都与钻石相近的晶体。不过，这种由碳原子组成的晶体并非等轴矿物，而是具有六方对称性。几乎同一时期，在美国亚利桑那州的陨石中也发现了具有相同性质的矿物。著名晶体学家Dame Kathleen Lonsdale将其命名为Lonsdaleite，中文译为六方金刚石。坚硬的材料有利于加工能力，而金刚石早已被用于钻头。六方金刚石可能比立方体金刚石更坚硬，因此它可能是加工、钻孔或任何类型的立方体金刚石应用的绝佳替代品。不仅具有明显的工业优势，六方金刚石有朝一日还可能用于订婚戒指。目前，实验室制造的立方体金刚石的价值低于天然金刚石，但六方金刚石可能更具新意。

4号纤锌矿氮化硼

纤锌矿氮化硼

纤锌矿氮化硼（wBN）和我们熟悉的立方氮化硼（zBN）一样，是一种自然界中不存在的人造超硬材料，具有非常优异的性能；密度大、硬度高，对铁族金属及其合金的化学惰性远优于金刚石，电绝缘性好，导热性仅次于金刚石而高于金属铜。纤锌矿氮化硼是在高压下氮和硼结合形成的，这种材料的结构也和金刚石非常相似，但是是由一些其他原子而不是碳组成的。这种材料在自然界中也有发现，所以不能在实验室里浪费掉。它是在高温高压下火山喷发过程中形成的，它能比金刚石多承受18%的应力，这是由于柔性键的重新取向和比金刚石更复杂的结构。经过重新取向的过程，它变得比金刚石坚硬80%。

5 号金属玻璃

液态金属

好莱坞电影《终结者》中，永生不死的未来战士给观众留下了深刻的印象，他坚不可摧，被打碎之后还能像液体一样自然流动，然后自动修复自己回到原来的样子。科幻电影中的神奇现象，在现实生活中也有其对应的材料，这就是金属玻璃，又称液态金属或非晶态合金，是一种钯微合金制成的玻璃，大部分都是直接从液态冻结而成，生产成本低，是一种应用前景广阔的新材料，特点是强度极高，同时又不像玻璃那么脆，而且密度小，比很多合金都轻。

6号马氏体时效钢

马氏体时效钢

马氏体钢是一类可通过热处理来调整力学性能的不锈钢。一般来说，它是一种可硬化不锈钢，淬火后具有很高的硬度，不同的回火温度具有不同的强度和韧性组合，主要用于汽轮机叶片、餐具、手术器械等。根据化学成分的不同，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两大类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和/或半马氏体沉淀硬化不锈钢、马氏体时效不锈钢。它以无碳马氏体为基体，经过长时间的热处理，具有很高的强度、韧性和延展性，常用于航空航天和模具制造。

7号锇

锇金属

锇金属非常坚硬，在高温下仍能保持光泽。锇的压缩性非常低，因此体积模量非常高，介于 395 和 462 GPa 之间，与钻石的 443 GPa 相当。锇在 4 GPa 的压力下也相对较硬。固体锇由于其硬度和脆性、低蒸气压（铂族元素中最低）和极高的熔点（所有元素中第四高）而难以成型和制造。锇也是一种稀有金属，可用于制造超硬合金，使其适合制造具有极高耐用性和硬度的物体。

8号碳复合材料

碳纤维复合材料

碳纤维是一种力学性能优异的新型材料，其比重不到钢材的1/4，碳纤维树脂复合材料的拉伸强度一般在3500Mpa以上，是钢材的7-9倍，拉伸弹性模量为23000-43000Mpa，也高于钢材。该材料的强度与密度之比可达200​​0Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，比模量也高于钢材。

9号蜘蛛丝

丛林中的蜘蛛网

蜘蛛丝具有极强的力学性能。极高的抗拉强度。抗拉强度是指材料在拉力作用下的最大承载能力。蜘蛛丝的抗拉强度（高达1.4GPa）可与高级合金钢（0.45-2GPa）相媲美，甚至可以达到芳纶纤维如凯夫拉（3GPa）的一半。然而，金属丝或凯夫拉纤维几乎不能延伸，而蜘蛛丝在自然状态下可以延伸至其长度的40%，在高湿环境下可延伸至其长度的5倍。很多人可能认为蜘蛛网是比较脆弱的物体，但那只是因为我们日常生活中见到的蜘蛛网太小了。这种由蛋白质组成的动物纤维具有很高的强度和韧性。当许多蜘蛛网交织在一起时，形成的蜘蛛网的硬度将比普通钢材大十倍，可用于防弹背心等军事装备。

10 号钻石

璀璨钻石

金刚石晶体中每个碳原子与相邻的四个碳原子以sp3杂化轨道形成共价键，每四个相邻的碳原子组成一个正四面体。因此，未抛光的金刚石晶体形状往往是正八面体。金刚石中的CC键非常牢固，所有价电子都参与形成共价键，没有自由电子，所以金刚石的硬度很高。在日常生活中，你可以看到它被制成钻头，用于切割、研磨、抛光等。

在不久的将来，通过科学家的研究和不懈的努力，更坚硬的材料将会被发现或合成，帮助人类创造更加美好的未来。