Физики получили наноматериал из нитрида бора тверже алмазов

Американские и китайские физики создали особый наноматериал на основе микрокристаллов кубического нитрида бора, превосходящий по твердости и другим качествам алмазы, что позволит применять его для резки тех материалов, с которыми не справляются лучшие алмазные резцы, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Кубический нитрид бора (cBN), или эльбор, представляет собой соединение атомов азота и бора, объединенных в особые "кубические" кристаллы. Данный материал уступает по твердости только алмазу, а по многим другим параметрам превосходит его. Порошок из кристаллов эльбора широко используется в качестве абразивного покрытия для промышленных станков, а крупные кристаллы — в качестве основы для резцов.

Группа физиков под руководством Юнцзюня Тяня (Yongjun Tian) из университета Яньшаня в городе Циньхуандао (Китай) смогла превратить кристаллы эльбора в наноматериал, превосходящий по твердости алмаз, экспериментируя с наночастицами из нитрида бора.

Как объясняют физики, чем меньше частицы эльбора, тем тверже будет наноматериал, собранный из спрессованных частиц этого вещества. На настоящий момент физикам удалось создать материал на основе его наночастиц размером 14 нанометров, что позволило нитриду бора вплотную приблизиться к алмазам. Дальнейшее увеличение твердости затруднено тем, что меньшие наночастицы плохо "склеиваются" друг с другом из-за аномалий, которые появляются на гранях склеиваемых кристаллов.

Тянь и его коллеги нашли способ преодолеть эту проблему, использовав в качестве исходного сырья не кубический нитрид бора, а его "луковичную" разновидность. Кристаллы этой разновидности BN представляют собой сферические микрочастицы, с "ямками" и "холмами" на их поверхности, которые делают их похожими на луковицы.

Авторы статьи обнаружили, что сжатие смеси из таких наночастиц внутри пресса, нагретого до температуры в 1,6 тысячи градусов Цельсия, приводило к превращению "луковиц" в кубические кристаллы нитрида бора. В данном случае наноматериал не испытывал проблем с аномалиями на гранях кристаллов и был намного прочнее, чем обычные материалы на основе спрессованных нанокристаллов эльбора.

Успешно синтезировав наноматериал, ученые проверили его на прочность, попытавшись разломать его кристаллы при помощи высокого давления. Оказалось, что новый вид кубического нитрида бора превосходит по прочности алмаз. Так, для его деформации необходимо давление, превышающее 108 гигапаскаль, что несколько больше аналогичного показателя для синтетических алмазов — 100 гигапаскаль.

По словам Тяня и его коллеги, их материал на основе нитрида бора имеет и несколько других преимуществ по сравнению с алмазами. В частности, он дешевле алмазов и может выдерживать нагрев до температур в 1,3 тысячи градусов Цельсия в присутствии кислорода без заметного ухудшения свойств.

Как полагают исследователи, их детище может не только использоваться в качестве абразивного материала, но и в роли покрытия режущих инструментов. В пользу этого говорит то, что данный наноматериал на 27% лучше сопротивляется изломам, чем карбид вольфрама (победитовый сплав), применяющийся в подавляющем большинстве промышленных станков.