Vật liệu siêu cứng là những chất có độ cứng Vickers trên khoảng 40 GPa, và trong thực tế chỉ có hai loại được dùng rộng rãi: kim cương và boron nitride lập phương (cBN). Cả hai cứng vì cùng một kiểu cấu trúc tinh thể: nguyên tử nhẹ, liên kết cộng hoá trị ngắn và bền, xếp thành mạng tứ diện ba chiều không có mặt yếu. Kim cương cứng nhất nhưng "kỵ" sắt thép ở nhiệt độ cao; cBN kém cứng hơn một chút nhưng gia công được thép đã nhiệt luyện cứng, nên hai loại chia nhau công việc.
Độ cứng đo bằng gì
Thang Mohs mà người chơi đá thuộc lòng chỉ là thang thứ tự: khoáng vật nào vạch được khoáng vật nào. Nó không cho biết cứng hơn bao nhiêu. Từ corundum (9) lên kim cương (10) chỉ một bậc, nhưng khoảng cách thật lớn hơn mọi bậc phía dưới cộng lại.
Ngành vật liệu dùng phép thử ấn lõm, phổ biến nhất là phép thử Vickers: ấn một mũi kim cương hình chóp vuông vào bề mặt với lực biết trước, đo vết lõm, tính ra độ cứng theo đơn vị áp suất (GPa). Vết lõm càng nhỏ, vật liệu càng cứng. Con số phụ thuộc lực ấn, mặt tinh thể và cách đo, nên các tài liệu thường ghi một khoảng.
| Vật liệu | Mohs | Vickers gần đúng (GPa) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Thép dụng cụ đã nhiệt luyện | Khoảng 7–8 | 6–9 | Kim loại, dai |
| Thạch anh | 7 | Khoảng 11 | Thành phần chính của bụi, cát |
| Cacbua vonfram | Khoảng 9 | Khoảng 15–22 | Dạng hợp kim cứng có chất kết dính coban |
| Corundum (oxit nhôm) | 9 | Khoảng 20 | Ruby, sapphire, đá mài |
| Silic cacbua | Khoảng 9–9,5 | Khoảng 25–30 | Khoáng vật tự nhiên là moissanite, rất hiếm |
| Bo cacbua | Khoảng 9,5 | Khoảng 30–38 | Tấm giáp nhẹ, vòi phun cát |
| Boron nitride lập phương (cBN) | Gần 10 | Khoảng 45–50 | Siêu cứng, bền với sắt |
| Kim cương | 10 | Khoảng 70–100 hoặc hơn | Cứng nhất trong vật liệu thông dụng |
Theo bảng này, kim cương cứng gấp khoảng bốn lần corundum dù trên thang Mohs chỉ hơn một bậc.
Vì sao một tinh thể cứng đến thế
Độ cứng là khả năng chống lại việc bị ấn lõm, vạch xước, tức là chống lại việc các nguyên tử bị xô lệch khỏi chỗ. Vật liệu siêu cứng có chung bốn đặc điểm:
- Liên kết cộng hoá trị: các nguyên tử dùng chung điện tử theo hướng xác định. Liên kết có hướng chống lại việc bẻ góc, khác liên kết kim loại cho phép nguyên tử trượt qua nhau.
- Nguyên tử nhỏ, liên kết ngắn: bo, cacbon, nitơ là những nguyên tố nhẹ, liên kết giữa chúng ngắn và bền. Mật độ liên kết trên mỗi đơn vị thể tích rất cao.
- Mạng ba chiều liền khối: mỗi nguyên tử nối với bốn nguyên tử khác theo hình tứ diện, mạng trải đều mọi hướng, không có lớp nào "lỏng" hơn lớp nào.
- Ít đường trượt: kim loại biến dạng nhờ các lệch mạng di chuyển; trong mạng cộng hoá trị cứng, lệch mạng gần như bị khoá.
Ví dụ đẹp nhất là cặp kim cương và than chì: cùng là cacbon, nhưng than chì xếp thành những lớp phẳng lục giác, trong lớp liên kết rất bền, giữa các lớp chỉ là lực yếu. Các lớp trượt lên nhau, nên than chì mềm đến mức viết được lên giấy. Boron nitride cũng có hai dạng tương tự: dạng lục giác mềm, trơn, được gọi là "than chì trắng", dùng làm chất bôi trơn chịu nhiệt; và dạng lập phương siêu cứng.
Kim cương tổng hợp: từ phòng thí nghiệm đến mũi khoan
Ngày 16 tháng 12 năm 1954, Tracy Hall ở phòng nghiên cứu một tập đoàn điện lớn của Mỹ tạo được kim cương bằng máy ép áp suất cao do ông thiết kế; kết quả công bố năm 1955. Một nhóm ở Thuỵ Điển có thể đã làm được trước đó năm 1953 nhưng không công bố kịp thời. Phương pháp áp suất cao nhiệt độ cao (HPHT) ép than chì cùng kim loại xúc tác ở khoảng 5 GPa và trên 1.300 °C, mô phỏng điều kiện sâu hơn 150 km trong lớp phủ Trái Đất, nơi kim cương tự nhiên ra đời.
Ngày nay, tính theo khối lượng, phần lớn kim cương dùng trong công nghiệp là kim cương tổng hợp: hạt kim cương nhỏ gắn trên lưỡi cưa đá, đĩa mài, dây cưa cắt đá khối ở mỏ, mũi khoan giếng dầu bằng kim cương đa tinh thể ép thành tấm, và bột kim cương đánh bóng. Người thợ giác đá dùng chính bột kim cương để mài kim cương, vì không có gì khác đủ cứng để làm việc đó.
Ứng dụng ít ai ngờ: đe kim cương
Ép hai viên kim cương nhỏ mặt đối mặt, một mẫu vật liệu bé cỡ hạt bụi kẹp giữa hai mũi, có thể đạt áp suất hàng trăm GPa, ngang áp suất ở tâm Trái Đất. Thiết bị gọi là đe kim cương. Vì kim cương trong suốt, các nhà khoa học chiếu tia laser và tia X xuyên qua để quan sát khoáng vật biến đổi ở điều kiện lớp phủ, lõi Trái Đất. Phần lớn hiểu biết về khoáng vật sâu trong lòng đất đến từ những thí nghiệm như vậy.
cBN: kẻ thay thế kim cương ở nơi có sắt
Kim cương có một điểm yếu: ở nhiệt độ cao, cacbon trong kim cương tan vào sắt và phản ứng với nó, và trong không khí kim cương bắt đầu cháy, chuyển dạng ở vài trăm độ C trở lên. Khi tiện, phay thép tốc độ cao, mũi dao nóng tới mức đó, nên dao kim cương mòn rất nhanh trên thép.
Năm 1957, Robert Wentorf, đồng nghiệp của Tracy Hall, tổng hợp được boron nitride lập phương bằng phương pháp áp suất cao. cBN không có cacbon, không phản ứng với sắt ở nhiệt độ gia công và chịu nhiệt trong không khí tốt hơn kim cương. Nhờ đó, nó trở thành vật liệu chuẩn để mài, tiện thép đã nhiệt luyện cứng, gang, các siêu hợp kim gốc niken. Kim cương giữ phần đá, bê tông, kính, gốm, nhôm, đồng và vật liệu composite.
Suốt nhiều chục năm, cBN được coi là vật liệu chỉ có trong phòng thí nghiệm. Năm 2013, Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế công nhận khoáng vật qingsongite, cBN tự nhiên tìm thấy dưới dạng hạt siêu nhỏ trong đá cromit ở Tây Tạng, dấu hiệu chúng từng ở rất sâu trong lớp phủ.
Cứng không có nghĩa là bền
Người chơi đá hiểu điều này rõ hơn ai hết. Độ cứng là chống xước; độ dai là chống vỡ. Kim cương cứng nhất nhưng giòn, có cát khai theo bốn hướng: một cú gõ đúng hướng có thể tách đôi viên đá, và thợ giác kim cương xưa đã dùng chính điều đó để chẻ đá thô. Ngọc nephrite chỉ cứng khoảng 6 đến 6,5 Mohs nhưng dai đến mức khó đập vỡ, vì các sợi khoáng vật đan chéo nhau.
Vì vậy dụng cụ công nghiệp hiếm khi là một khối siêu cứng đơn thuần. Hạt kim cương hoặc cBN được gắn trong nền kim loại hoặc gốm dai hơn; tấm kim cương đa tinh thể được ép lên đế cacbua vonfram. Các hạt nhỏ định hướng ngẫu nhiên cũng ngăn vết nứt lan theo một mặt cát khai duy nhất.
Có gì cứng hơn kim cương không
Câu hỏi này xuất hiện đều đặn trên báo chí. Vài ứng viên đáng biết:
- Lonsdaleite: kim cương lục giác, tìm thấy trong thiên thạch và hố va chạm. Tính toán cho thấy dạng tinh khiết có thể cứng hơn kim cương thường, nhưng mẫu tự nhiên nhỏ và lẫn khuyết tật, chưa đo được trực tiếp một cách thuyết phục.
- Kim cương hạt nano, kim cương song tinh nano: những khối kim cương gồm vô số hạt hoặc dải song tinh cỡ nanomet, trong một số thí nghiệm cho độ cứng đo được cao hơn kim cương đơn tinh thể.
- Cacbon nitrua β-C₃N₄: năm 1989, tính toán lý thuyết dự đoán nó có thể cứng ngang kim cương, nhưng đến nay chưa ai tổng hợp được dạng tinh thể đủ lớn để kiểm chứng.
Với vật liệu dùng được trong công nghiệp hôm nay, kim cương vẫn đứng đầu.
Góc nhìn hôm nay: dùng an toàn và nhìn thấy độ cứng
Lưỡi cắt kim cương quay nhanh có thể vỡ mảnh, bụi đá, bê tông khi cắt khô chứa silic tinh thể gây bệnh bụi phổi silic không hồi phục; bụi mài hợp kim cứng chứa coban có thể gây bệnh phổi nghề nghiệp. Luôn mài cắt ướt khi có thể, dùng máy có hút bụi, đeo khẩu trang lọc bụi đạt chuẩn, kính bảo hộ và che tai.
Muốn thấy khoảng cách độ cứng tận mắt, lấy một tờ giấy nhám oxit nhôm và một tấm mài phủ kim cương thường bán cho việc mài dao, thử chà nhẹ lên một mẩu sứ vỡ hoặc kính: tấm kim cương ăn vào nhanh hơn rõ rệt. Bảo tàng địa chất có tủ thang Mohs với mẫu từ talc tới kim cương; nhìn từng bậc, nhớ rằng bậc cuối cùng là bước nhảy xa nhất.
Câu hỏi thường gặp
Vật liệu siêu cứng là gì?
Vật liệu siêu cứng là vật liệu có độ cứng Vickers trên khoảng 40 GPa. Hai loại dùng rộng rãi nhất là kim cương và boron nitride lập phương (cBN). Chúng cứng nhờ liên kết cộng hoá trị ngắn, bền giữa các nguyên tử nhẹ, xếp thành mạng tứ diện ba chiều.
Kim cương cứng hơn sapphire bao nhiêu lần?
Trên thang Mohs, kim cương (10) chỉ hơn corundum (9) một bậc, nhưng theo phép đo Vickers, kim cương cứng gấp khoảng bốn lần. Thang Mohs chỉ xếp thứ tự, không cho biết khoảng cách thật.
Vì sao không dùng dao kim cương để cắt thép?
Ở nhiệt độ cao khi gia công, cacbon trong kim cương phản ứng và tan vào sắt, đồng thời kim cương bị oxy hoá trong không khí, nên dao mòn rất nhanh. Với thép đã nhiệt luyện cứng và gang, người ta dùng cBN vì nó không có cacbon và bền nhiệt hơn.
Boron nitride lập phương có trong tự nhiên không?
Có nhưng cực hiếm. Năm 2013, khoáng vật qingsongite, tức cBN tự nhiên, được Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế công nhận, tìm thấy dưới dạng hạt siêu nhỏ trong đá cromit ở Tây Tạng. Gần như toàn bộ cBN dùng trong công nghiệp là tổng hợp.
Có vật liệu nào cứng hơn kim cương không?
Một số dạng như kim cương song tinh nano đã cho độ cứng đo được cao hơn kim cương đơn tinh thể trong thí nghiệm, và lonsdaleite được dự đoán có thể cứng hơn. Tuy vậy, trong các vật liệu dùng được ở quy mô công nghiệp, kim cương vẫn cứng nhất.
