Ingegneria materiali superduri

Materiali superduri
I materiali superduri sono quelli caratterizzati da durezza molto elevata, superiore a quella del nitruro di boro cubico policristallino, cioè con durezza Vickers HV > 40 GPa (circa 9.5 su scala Mohs). Trovano largo impiego in svariate applicazioni, dagli utensili da taglio e levigatura ai rivestimenti con elevata resistenza all'usura.
Il materiale naturale più duro è il diamante (HV = 70 ~ 150 GPa), usato in moltissime applicazioni industriali e tecnologiche per le sue proprietà uniche.
Il diamante ha però il difetto di non essere resistente all'ossidazione ad alte temperature e di essere reattivo al contatto con metalli ferrosi. Si è quindi creata una richiesta di materiali superduri con caratteristiche simili al diamante in vari settori industriali: elettronica, elettrochimica, taglio e lavorazione di metalli duri e ceramica. Questo ha stimolato la ricerca di nuovi materiali che oltre alla durezza abbiano una stabilità termica e chimica maggiore del diamante.
Diamante sintetico
Il diamante sintetico è stato prodotto per la prima volta nel 1953 in Svezia, e poi nel 1955 negli Stati Uniti tramite l'applicazione di altissime pressioni. Quattro anni dopo la produzione dei primi diamanti sintetici è stato sintetizzato il nitruro di boro cubico cBN, che si è rivelato all'epoca il secondo materiale più duro dopo il diamante.
Recentemente è stata sviluppata una nuova tecnica di produzione di diamanti sintetici per deposizione chimica da vapore, cha ha dato ottimi risultati sia in termini di economicità produttiva che di caratteristiche finali del prodotto.
I diamanti sintetici sono largamente usati per utensili da taglio ed altre applicazioni, per il loro costo inferiore ai diamanti naturali. La produzione annua mondiale di diamanti sintetici si aggira sui 100.000 kg, mentre l'estrazione di diamanti naturali è di circa 26.000 kg.
Diamante sintetico ottenuto per deposizione chimica da vapore
Boro
I cristalli di boro, di difficile sintesi e non presenti in natura, hanno durezza >9.5 su scala Mohs.
Carbo-nitruri di boro
Dal 2001 in poi la tecnica di sintesi ad alta pressione ha permesso la produzione di carbo-nitruri cubici di boro e di BCxN, materiali superduri con struttura cristallina simile al diamante. È stata anche annunciata la sintesi dell'ossido di boro B2O con caratteristiche simili al diamante e del nitruro cubico di carbonio C3N4, ma questi esperimenti non sono poi stati riprodotti.
Metallo-boruri
I metallo-boruri come RuB2, OsB2, e ReB2, possono essere sintetizzati, a differenza di altri materiali superduri, in condizioni non estreme ed in grande quantità, ed hanno dimostrato possedere una durezza 9.5-10 su scala Mohs.
B6O e B4C
I materiali con struttura simile al diamante non sono gli unici ad essere superduri. Il boro mostra alcune tra le più interessanti proprietà fisiche e chimiche di tutti gli elementi. Composti solidi a base di boro danno origine a una vasta gamma di materiali refrattari duri, per es. B6O e B4C, con strutture cristalline molto particolari e notevoli proprietà fisico-chimiche, dovute ai forti legami covalenti e al basso numero di elettroni negli orbitali esterni. Le elevate caratteristiche di leggerezza, durezza, resistenza e stabilità hanno reso il boro e i suoi composti adatto ad una grande varietà di applicazioni tecnologiche.
Materiali più duri del diamante
Grafico della struttura del 60-fullerene.
Il continuo progresso tecnologico ha permesso di ottenere recentemente materiali più duri del diamante.
Nel 2005 ricercatori del Bayerisches Geoinstitut dell'università di Bayreuth, guidati da Natalia Dubrovinskaia, hanno prodotto in laboratorio un materiale, che hanno chiamato con la sigla ADNR (Aggregated Diamond NanoRods), con resistenza alla compressione dell'11% superiore a quella del diamante e in grado di scalfirlo. Questo materiale è chiamato in italiano Diamante aggregato nanorod e anche fullerite ultradura, perché ottenuto dalla compressione della fullerite C60 (la fullerite è una fase solida del fullerene indicata con la sigla P-SWNT, Polymerized single-walled nanotubes).
Nel 2009 ricercatori dell'Università del Nevada di Las Vegas e dell'Università Jiao Tong di Shanghai hanno annunciato la scoperta della lonsdaleite superdura, e del nitruro di boro wurtzide. Sottoponendo il primo a carichi di indentazione molto elevati si è visto che il materiale reagisce aumentando in modo permanente la resistenza alla compressione fino a oltre il 70%. Le prove di laboratorio hanno accertato una durezza di 152 Gigapascal, superiore del 58% a quella del diamante, che nelle stesse condizioni ha una durezza di 97 Gigapascal. Il nitruro di boro wurtzite sembra essere 18% più duro del diamante.

Il Diamante aggregato nanorod o iperdiamante, in sigla ADNR, è un materiale superduro, che si è dimostrato il materiale conosciuto più duro e meno comprimibile, avente modulo di comprimibilità (da non confondere con la resistenza a compressione) di 491 gigapascal (GPa), mentre un diamante tradizionale ha un modulo di circa 442 GPa. Ha una forma nanocristallina, ed è più denso dello 0,3% rispetto al diamante. È anche chiamato fullerite ultradura (perché ottenuto comprimendo la fullerite).