I materiali superduri sono materiali con durezza elevatissima che, per definizione, deve essere superiore a quella del nitruro di boro cubico – a breve spiegheremo meglio di cosa si tratta. All'interno di questa famiglia di materiali rientra ad esempio il diamante naturale che, però, non è il materiale più duro che esiste in assoluto. In questo articolo spiegheremo quindi come si definisce la durezza di un materiale e quali sono i principali materiali superduri – sia naturali che artificiali.
Cosa si intende per "durezza" di un materiale?
La durezza è una caratteristica che ci indica quanto un materiale sia resistente alla penetrazione da parte di un altro materiale. Detto in termini più tecnici, rappresenta la deformabilità plastica permanente di un materiale. Per misurare la durezza si utilizzano diverse scale di misura che non sono direttamente confrontabili perché non utilizzano le stesse prove sperimentali. Tra le principali possiamo citare:
- scala Vickers – misura l'area dell'impronta lasciata dall'oggetto penetrante (sarà quella che ci interesserà per i materiali superduri);
- scala Brinell – misura il diametro dell'impronta lasciata dall'oggetto penetrante;
- scala Rockwell – misura l'affondamento dell'impronta sul materiale da testare;
- la scala Mohs – misura la durezza confrontandola con quella di 10 minerali presi come riferimento.
Cosa sono i materiali superduri?
Come anticipato, vengono definiti "superduri" tutti quei materiali con una durezza superiore a quella del nitruro di boro cubico policristallino, un minerale con una durezza pari a 40-60 giga Pascal (GPa) nella scala Vickers. Grazie all'elevata durezza, i materiali superduri sono utili in applicazioni industriali e tecnologiche che richiedono un'elevata resistenza all'usura. Uno dei materiali più duri in assoluto è il diamante, con un valore attorno ai 70-150 GPa in scala Vickers. Il diamante, però, non è resistente al processo di ossidazione alle alte temperature e reagisce con metalli ferrosi – quindi non può essere utilizzato per tutte le applicazioni.
Alcuni esempi di materiali superduri
Nel 1953 è stato prodotto in laboratorio per la prima volta un diamante sintetico, grazie ad un sistema ad alta pressione. Qualche anno più tardi è stato sintetizzato anche un altro materiale, il nitruro di boro cubico (c-BN). Dall'unione di diamante sintetico e nitruro di boro cubico si è poi creato in laboratorio l'eterodiamante (BCN), che ha durezza e resistenza termica elevate.
Esistono poi vari materiali superduri basati sul boro, come i cristalli di boro e i carbo-nitruri di boro, dalla struttura cristallina simile al diamante, e il carburo di boro (B4C), con un valore fra i 35 e i 40 GPa. A confronto, l'acciaio inossidabile ha una durezza di "soli" 1.37-1.76 GPa, il rame ricotto di 0.46 GPa, l'oro e l'argento di circa 0.21-0.24 GPa.
Materiali più duri del diamante naturale
Ma esistono materiali più duri del diamante naturale? Ebbene sì.
Nei primi anni 2000 è stato prodotto in laboratorio un diamante sintetico più duro del diamante naturale, capace di resistere ad una compressione di 1,11 volte superiore. È stato chiamato iperdiamante (anche diamante aggregato nanorod o fullerite ultradura), prodotto inizialmente dalla compressione di grafite e successivamente dalla compressione di complesse strutture molecolari di carbonio chiamate fullereni.
Nello stesso decennio alcuni ricercatori hanno scoperto la lonsdaleite superdura (anche chiamata diamante esagonale). Questo minerale dalla struttura esagonale si è originato naturalmente dall'impatto di meteoriti contenenti grafite sulla superficie delle Terra. A causa dell'elevata pressione e temperatura, la grafite si è trasforma in diamante mantenendo la forma esagonale della grafite, con una durezza superiore al diamante naturale del 58%.
Gli stessi ricercatori hanno misurato una durezza superiore al diamante naturale del 18% nella forma wurtzite del nitruro di boro (w-BN), che ha una struttura simile alla lonsdaleite.
I nanostrutturati
Per raggiungere alti livelli di durezza è possibile anche realizzare dei rivestimenti resistenti e sottili, chiamati eterostrutture o super-reticoli, per ricoprire altri materiali meno resistenti che usiamo nella vita di tutti i giorni. Questi rivestimenti sono composti da multistrati, composti da due materiali differenti che vengono alternati e che hanno qualche micrometro di spessore (ovvero 10-6 m).
Questi strati possono essere composti da metalli, nitruri, ossidi o carburi e i due materiali utilizzati devono avere elasticità differenti ma un'espansione termica simile, per non portare a rottura del multistrato. Grazie a queste due caratteristiche, il multistrato esibisce resistenza meccanica e durezza superiori rispetto a quelle dei due materiali presi singolarmente. Inoltre, durante la deposizione dello strato di rivestimento, si possono bombardare questi rivestimenti con ioni per raggiungere livelli di durezza superiori. La presenza di impurità, invece, degrada le capacità meccaniche del materiale e dunque la durezza risultante.
Esistono infine materiali compositi nanocristallini, ovvero un mix eterogeneo costituito da due o più fasi, o da due o più materiali, con proprietà fisiche diverse. Questi materiali sono composti da grani, la cui taglia influisce sulla durezza complessiva.
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