能不能找到比金刚石综合性能更优异的新的超硬材料

在自然界中，色彩瑰丽、晶莹剔透的金刚石是一种稀有的、已知物质中最坚硬的单矿物晶体。 

 

金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级(或称钻石级)金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。工业用金刚石以其超硬性被广泛地应用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地质勘探、国防等工业领域和现代高科技领域。金刚石是一种稀有的非金属矿产资源，到目前为止全球已探明的储量也仅有19亿克拉(相当于380吨)，而我国的天然金刚石储量仅有4.18吨，这远远满足不了人类对金刚石的需求。 

 

从19世纪末开始，人类便尝试人工合成金刚石。经过科学家们长期不懈的努力，终于在1955年由美国科学家霍尔(Hall)第一次采用高温高压技术用石墨合成了金刚石，这是人类合成超硬材料史上的第一个里程碑，它使人类将金刚石大批量地应用于工业成为现实。时至今日，该方法仍是合成工业金刚石的主要方法。然而，在金刚石被应用于工业的实践中，人们发现了它的两个致命的弱点：一是热稳定性差，当温度达到700℃以上时，金刚石开始转变为石墨，后者的硬度与金刚石有天壤之别；二是化学惰性差，金刚石在加工钢铁材料时易与材料中的铁发生化学反应，从而不同程度地丧失了超硬特性，使沧州欧谱www.oupu17.com应用受到限制。这促使科学家们又开始了探求硬度与金刚石相当且能克服上述弱点的新型超硬材料的尝试。 

 

由于六方氮化硼的热稳定性和化学惰性都优于石墨，同时，硼-碳键的键长与碳-碳键的键长十分接近，科学家们推测：六方氮化硼有可能成为硬度与金刚石相当的性能更加优异的新型超硬材料。1957年，美国通用电器公司的科学家Wentorf利用六方氮化硼成功地合成出了“立方氮化硼”。它的热稳定性和化学惰性的确明显优于金刚石，但是人们发现，它的硬度只有66GPa，相当于金刚石硬度(95GPa)的三分之二，这完全出乎了科学家的预想，但“立方氮化硼”的人工合成仍被科学家称为人类合成超硬材料的第二个具有里程碑意义的重要成果。 

 

在随后的几十年中，全球的材料科学家始终没有放弃过寻找新型超硬材料的努力。进入21世纪以后，2001年，乌克兰科学家Solozhanko合成出了第三个超硬材料立方BC2N，硬度达到76GPa；2002年，美国一个研究小组的贺瑞威博士又合成出了一种超硬材料B6O，其硬度为45GPa。这些新成果使全球的材料科学家寻找新型超硬材料的热情又达到了新的高潮。 

 

然而，在寻找新的超硬材料的艰难跋涉中，科学家对硬度这个常用的宏观物理量的微观本质一直缺乏深刻的认识，只知道硬度这种常用的物理量的宏观本质，但始终没有在微观的尺度上找到适当的对应，因此没有一个比较基础的理论能够告诉材料科学家哪一种原子排列方式可以造成比较大的硬度。也就是说，一直没有一个统一的理论能够预测超硬材料的硬度。所以，在探求新型超硬材料的具体科学实践中，科学家们只能用各种间接的方法来预测新型超硬材料，虽然也取得了一定的进展，却无法在合成前准确地测出材料的硬度，只能在合成后测量硬度。这种方法需耗费大量的人力、物力和财力。科学家们将这种方法比喻为“炒菜法”，即一道菜只有在炒出来后才能知道它的色、香、味的具体情况。 
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