Comme leur nom l’indique, les matériaux ultradurs sont des matériaux d’une dureté extrêmement élevée. De manière générale, le diamant a la dureté la plus élevée, avec une dureté Mohs de 10, et le cBN est légèrement inférieur au diamant, de sorte que les matériaux ultra-durs font généralement référence au diamant et au cBN, ou aux matériaux composites constitués de ces deux matériaux, comme composants principaux. La dureté des quatre types de matériaux durs utilisés comme « dents industrielles », le corindon, le SiC, le carbure cémenté et l'acier rapide, est bien inférieure à la dureté du diamant et du cBN, c'est pourquoi les matériaux ultra-durs sont également appelés les plus durs et les plus tranchants. « dents industrielles » ou « roi des matériaux ». Structure et propriétés des matériaux ultra-durs 1. Structure et propriétés du diamant Comme d'autres matériaux carbonés, le principal élément chimique du diamant est le carbone. Qu’il s’agisse d’un diamant naturel ou d’un diamant artificiel, quel que soit le type de diamant, il contiendra plus ou moins d’impuretés. Le diamant contient généralement des impuretés azotées. Selon la différence de teneur en azote dans le cristal de diamant, le diamant peut être divisé en deux types (diamant de type I et diamant de type II).
Classification du diamant
Distribution des nuages d'électrons orbitaux hybrides de diamant, structure atomique et structure de cellule unitaire
Ces dernières années, les matériaux carbonés sont un type de matériau qui fait l’objet d’un sujet de recherche très brûlant. Le 21e siècle est également connu sous le nom de « l’ère du carbone ». Les matériaux carbonés sont largement utilisés dans divers domaines en raison de leurs performances exceptionnelles, en particulier dans l'application des industries émergentes stratégiques nationales. Les nanomatériaux de graphène et de carbone, les fibres de carbone et leurs matériaux composites, les diamants, les films à base de carbone et les matériaux carbonés traditionnels (noir de carbone, carbone poreux, graphite, graphite spécial, etc.) ont de larges perspectives d'application dans les batteries au lithium, les condensateurs, le stockage d'énergie, photovoltaïque, semi-conducteurs, écrans optoélectroniques, communications 5G, capteurs, aviation générale, transports du futur, équipements haut de gamme et autres domaines.
2. Structure et propriétés du cBN
Le nitrure de bore cubique (cBN) est la deuxième plus grande variété de matériaux ultra-durs. La structure chimique du nitrure de bore est le BN, qui est composé de deux éléments : le bore et l'azote. Le nitrure de bore a quatre structures cristallines différentes, principalement le nitrure de bore hexagonal (hBN), le nitrure de bore cubique (cBN), le nitrure de bore rhomboédrique (rBN) et le nitrure de bore hexagonal dense (wBN). Dans hBN et rBN, les atomes d'azote et les atomes de bore sont hybridés en mode SP2, tandis que dans cBN et wBN, les atomes d'azote et les atomes de bore sont hybridés en mode SP3.
Plusieurs marques différentes de monocristaux de cBN d'une certaine entreprise (sur le site Web de l'entreprise) La dureté du cBN est légèrement inférieure à celle du diamant et la couleur est diversifiée. La couleur du cristal est liée au type et à la quantité d'impuretés contenues. Le cBN possède des propriétés optoélectroniques uniques. La synthèse de monocristaux cBN de grande taille et de haute qualité est un choix inévitable pour obtenir des applications de dispositifs fonctionnels. Cependant, les cristaux de cBN de grande taille ont beaucoup moins de succès que les diamants. Cela peut être dû au fait que les conditions de synthèse du cBN à gros grains sont plus strictes et que son application n’a pas trouvé de domaine approprié. Application des matériaux ultra-durs 1. Principaux types de produits en matériaux ultra-durs Les matériaux super-durs ainsi que leurs produits et outils ont été largement utilisés dans l'industrie. Ils résolvent non seulement le problème que les outils traditionnels ne peuvent pas traiter ou sont difficiles à traiter, mais améliorent également considérablement l'efficacité du traitement traditionnel et réduisent considérablement la consommation et les émissions de déchets. Plusieurs produits et outils en matériaux très durs (a. Lames ; b. Meules ; c. Lames de scie ; d. Forets) Les principaux types de produits et d'outils en matériaux très durs comprennent les outils de sciage, les abrasifs (y compris les abrasifs agglomérés, les abrasifs appliqués et les abrasifs libres ), outils de coupe, outils de perçage, outils de dressage, matrices de tréfilage, autres outils et différents composants fonctionnels. 2. Diamants naturels et diamants artificiels (1) Diamants naturels Les diamants obtenus à partir de diamants naturels sont appelés diamants naturels. Les diamants naturels sont brillants, magnifiques, rares et précieux, et sont considérés comme précieux par les gens. Il existe un slogan publicitaire « Les diamants sont éternels, et un diamant durera pour toujours » qui est connu de tous dans mon pays. En plus d’être utilisés comme bijoux, les diamants naturels sont de plus en plus utilisés dans l’industrie. L’utilisation industrielle des diamants repose depuis longtemps sur leur dureté extrêmement élevée. Les couteaux diamantés pour couper le verre nous rappellent l'utilisation des diamants pour fabriquer des forets destinés à l'exploration géologique et à l'exploitation minière du pétrole et du charbon. Les diamants subissent divers degrés de réactions d'oxydation avec l'oxygène à haute température, en particulier avec le fer, et ne conviennent pas au traitement des métaux ferreux. (2) Diamants artificiels Les diamants artificiels sont souvent appelés diamants cultivés en laboratoire ou diamants de culture dans l'industrie. De grosses particules ou de gros monocristaux de diamants artificiels ont été utilisés pour traiter des bijoux en diamants synthétiques. Les diamants artificiels sont également de vrais diamants, avec la même composition et la même structure que les diamants naturels. Les deux ne peuvent être distingués que par des méthodes très spéciales, par exemple sous un luminomètre cathodique, la texture de croissance du premier est géométrique, tandis que la seconde est en forme d'anneau. Depuis 2006, les institutions de bijouterie telles que le GIA ont commencé à fournir des services d'identification et à délivrer des certificats, principalement pour empêcher les commerçants de vendre des diamants synthétiques moins chers comme des diamants naturels. Dans le passé, les chercheurs de l’industrie du diamant ont cherché des moyens de synthétiser efficacement des diamants artificiels, mais aucune avancée majeure n’a été réalisée. Les deux principaux obstacles proviennent des facteurs de coût et de production. Après des décennies de recherche, la technologie de synthèse de gros diamants monocristallins par une méthode à ultra haute pression et haute température dans des conditions de catalyseur statique a mûri. La Chine a fait des progrès rapides dans le développement et l'application de gros diamants artificiels monocristallins synthétisés par une méthode à ultra haute pression et haute température, ainsi que dans la technologie de synthèse de diamants artificiels par la méthode CVD au plasma micro-ondes. Les bijoux en diamants synthétiques sont vendus sur le marché et commencent à prendre forme. 3. Principales applications du cBN Comparé au diamant, le cBN présente des avantages uniques, tels qu'une stabilité thermique élevée et une inertie chimique avec les éléments de la famille du fer. Il existe actuellement deux utilisations principales du cBN : l’une consiste à fabriquer des outils abrasifs et l’autre à fabriquer du nitrure de bore cubique polycristallin comme matériau d’outil. Par conséquent, le cBN présente des caractéristiques uniques dans le traitement des matériaux métalliques ferreux et fournit de nouveaux outils de traitement pour les matériaux à base de fer durs et résistants qui sont difficiles à traiter. Les principales applications du cBN sont les suivantes : (1) Utilisé comme matériau d’outil abrasif. Il peut être utilisé pour traiter à la fois des matériaux à base de fer et des matériaux métalliques non ferreux. (2) Utilisé comme matériau d'outil. Le matériau utilisé pour les outils de coupe est généralement du nitrure de bore cubique polycristallin. Le PcBN est une micropoudre préparée à partir d'un monocristal de cBN. Il est fabriqué en ajoutant du carbure de titane, du cobalt et d'autres adhésifs, puis en le frittant sous haute pression et haute température à l'aide d'une presse supérieure à six côtés. Il est particulièrement efficace dans le traitement des métaux ferreux et de leurs alliages, et convient particulièrement à la coupe à grande vitesse et à la coupe à sec. Il peut également remplacer le meulage par le tournage et le fraisage, améliorant ainsi considérablement l’efficacité de la production.
(3) Utilisé comme matériaux fonctionnels. Le cBN à conductivité thermique élevée peut être utilisé dans les dispositifs fonctionnels optoélectroniques. Les matériaux super durs constituent une petite variété parmi de nombreux matériaux différents, mais ils constituent un matériau irremplaçable et peuvent progressivement remplacer certains autres matériaux.
