Самый прочный материал в мире: рейтинг по твёрдости, прочности и вязкости
Что прочнее: графен, алмаз или CrCoNi? Сравниваем материалы по твёрдости, прочности на разрыв, вязкости и удельной прочности.
Единого «самого прочного материала» не существует. Графен держит рекорд на разрыв: около 130 ГПа для монослоя. Лонсдейлит по расчётам твёрже алмаза. Сплав CrCoNi выдал рекордную вязкость разрушения при −253 °C. Кто победитель, зависит от того, что именно вы измеряете, и именно поэтому рейтинги в интернете спорят друг с другом: авторы складывают в один столбец разные величины в разных единицах. Разберу все «дисциплины» по очереди и помечу, где цифра измерена, а где посчитана на симуляциях.
Если коротко, развилка такая:
- рекорд на атомарном образце — графен, ~130 ГПа на разрыв;
- рекорд среди объёмных лабораторных образцов — AM-III, 110–116 ГПа по Виккерсу;
- среди серийных материалов — мартенситностареющие стали, до ~2700 МПа на разрыв, и волокна вроде Zylon, ~5,8 ГПа.
Что значит «прочный»: твёрдость, предел прочности и вязкость
Твёрдость, предел прочности на растяжение, вязкость разрушения и удельная прочность: это четыре независимых свойства, которые меряют в разных единицах. Рекордсмен по одному критерию нередко аутсайдер по другому.
- Твёрдость — сопротивление царапанию и вдавливанию. Шкала Мооса относительна, от 1 (тальк) до 10 (алмаз), и годится как бытовой ориентир. Инструментальная мера строже: твёрдость по Виккерсу (HV) в гигапаскалях, когда в образец вдавливают алмазную пирамидку и меряют отпечаток. Сверхтвёрдыми называют материалы с микротвёрдостью выше ~35 ГПа, по ряду классификаций порог поднимают до 40 ГПа. Это больше, чем у твёрдых сплавов на карбидах вольфрама и титана.
- Предел прочности на растяжение — нагрузка, при которой образец рвётся, в МПа или ГПа. Именно его вы проверяете, когда пробуете порвать проволоку руками.
- Вязкость разрушения отвечает на вопрос «расколется или согнётся»: способность тормозить трещину и гасить энергию удара. Единица — МПа·м^0,5.
- Удельная прочность — прочность, делённая на плотность (кН·м/кг). Для авиации это главный критерий: важно не сколько выдержит материал, а сколько выдержит его килограмм.
- Модуль Юнга — жёсткость, сопротивление упругой деформации (ГПа или ТПа). Жёсткий не значит прочный; это про то, насколько материал пружинит.
Алмаз показывает эту путаницу лучше любого объяснения. По Моосу десятка, микротвёрдость по Виккерсу 60–150 ГПа, в 4–5 раз выше корунда. А прочность при изгибе и ударе у него скромная, в разы ниже, чем подсказывает твёрдость. Поцарапать его почти нечем, зато расколоть можно молотком: трещина охотно бежит по плоскостям спайности кристалла. Сталь мягче алмаза на порядки, но вязкая, она гнётся.
Отсюда правило, которое ломает половину интернет-рейтингов: твёрдость в ГПа, прочность на разрыв в МПа и вязкость в МПа·м^0,5 в один столбец не ставят. Физически разные величины. И 130 ГПа графена, снятые с идеального атомарного монослоя, некорректно держать рядом с ~1510 МПа вольфрама, которые измерены на реальном макрообразце со всеми его дефектами.
Рейтинг самых прочных материалов в мире: сводная таблица
Собрал показатели по дисциплинам, внутри каждой первая строка — лидер. Колонка «статус» говорит, откуда цифра: прямое измерение или расчёт.
Прочность на растяжение
| Материал | Тип | Ключевой показатель | Применение | Статус цифры |
|---|---|---|---|---|
| Графен | наноматериал | ~130 ГПа, модуль Юнга ~1 ТПа | электроника, композиты | измерено на монослое (2008) |
| Углеродные нанотрубки | наноматериал | ~60–100 ГПа | композиты, электроды | измерено на отдельных трубках |
| Zylon (PBO) | полимерное волокно | ~5,8 ГПа | тросы, защита | измерено |
| Dyneema (UHMWPE) | полимерное волокно | ~3,6 ГПа | бронежилеты, канаты | измерено |
| Мартенситностареющие стали | сплав | до ~2700 МПа | авиация, оснастка | измерено |
| Вольфрам | металл | до ~1510 МПа | нити накала, сплавы | измерено |
Твёрдость
| Материал | Тип | Ключевой показатель | Применение | Статус цифры |
|---|---|---|---|---|
| Лонсдейлит | углерод (гексагон.) | на ~58% твёрже алмаза | не применяется | расчёт (симуляции, 2009) |
| Вюртцитный нитрид бора | керамика | на ~18% твёрже алмаза | не применяется | расчёт |
| Фуллериты | углерод | 150–300 ГПа HV | лабораторные образцы | отдельные данные измерений |
| AM-III (аморфный углерод) | углерод | 110–116 ГПа HV | лабораторные образцы | измерено |
| Алмаз | минерал | 60–150 ГПа HV, 10 по Моосу | абразивы, резцы, буры | измерено |
| Кубический нитрид бора (эльбор) | керамика | ~45–50 ГПа HV | обработка сталей | измерено |
Вязкость разрушения и удельная прочность
| Материал | Тип | Ключевой показатель | Применение | Статус цифры |
|---|---|---|---|---|
| CrCoNi | среднеэнтропийный сплав | вязкость ~500 МПа·м^0,5 при 20 К | криогенная и арктическая техника, космос (перспектива) | измерено (2022) |
| Углеродные нанотрубки | наноматериал | удельная прочность до ~48 000 кН·м/кг | композиты | измерено на отдельных трубках |
| Ti-6Al-4V | сплав | ~900–1200 МПа при вдвое меньшей плотности, чем у стали | авиация, имплантаты | измерено |
Графен и углеродные нанотрубки — лидеры по прочности на разрыв
На растяжение конкурентов у графена нет. Слой углерода толщиной в один атом, гексагональная решётка, та самая сетка-соты. В 2008 году Чангу Ли и Джеймс Хоун из Колумбийского университета измерили бездефектный монослой: около 130 ГПа при модуле Юнга ~1 ТПа. Отсюда и пошла формула «примерно в 200 раз прочнее стали», которая верна, но только при сравнении на равную толщину.
Нанотрубка — тот же графен, свёрнутый в цилиндр диаметром 2–4 нм. Отдельные трубки держат 60–100 ГПа, а удельная прочность доходит до ~48 000 кН·м/кг против ~154 кН·м/кг у высокопрочной стали. Разрыв в сотни раз.
Рейтинги об этом обычно молчат. Все рекорды получены на идеальных образцах атомарного масштаба. Попробуйте свить из нанотрубок макроскопическое волокно или срастить из графена плёнку, и в дело вступают дефекты решётки, стыки между фрагментами, слабые связи между слоями. Прочность падает на порядок, а то и сильнее, потому что трещина стартует с самого слабого места, а в большом образце слабых мест хватает с запасом. Нить на 130 ГПа поэтому и нельзя купить, а космический лифт на нанотрубках живёт в презентациях.
Твёрже алмаза: лонсдейлит, вюртцитный нитрид бора и сверхтвёрдые керамики
Алмаз остаётся самым твёрдым природным минералом, который можно взять в руку в осязаемом количестве. Конкуренты у него есть, каждый со своей оговоркой.
Лонсдейлит, гексагональная модификация углерода, найден в метеоритном веществе, в том числе из кратера Каньон-Дьябло. Симуляции Чжичэн Паня, Хун Суна и соавторов (2009) дают ему плюс 58% к твёрдости алмаза при индентировании. Дальше начинается проза: реальные метеоритные зёрна из-за примесей и дефектов на практике мягче алмаза, а чистых макрообразцов, на которых можно было бы померить, просто нет.
С вюртцитным нитридом бора та же история. Расчётные плюс 18% к алмазу, в природе рождается при вулканических извержениях, найденные объёмы исчезающе малы. Проверять симуляции пока не на чем.
Фуллериты, полимеризованные фуллерены: по отдельным данным измерений их твёрдость достигает 150–300 ГПа, то есть выше алмазной. Тут вылезает методологическая засада. Виккерса меряют алмазным индентором, и когда образец твёрже самого индентора, корректность измерения становится предметом спора. Так что цифры фуллеритов я держу в графе «по отдельным данным», а не в рекордах.
AM-III, аморфный углерод из Университета Яньшань в Китае: давление 25 ГПа, нагрев до 1000–1200 °C. Твёрдость по Виккерсу измерена честно, 110–116 ГПа, это уровень алмаза. И материал при этом прозрачный.
Промышленность живёт другими сверхтвёрдыми. Кубический нитрид бора, он же эльбор, ~45–50 ГПа: им обрабатывают стали, которые алмазу противопоказаны из-за химического сродства углерода к железу. Карбид бора, вдвое мягче алмаза, идёт в броню и абразивы. Карбид вольфрама — основа твёрдых сплавов для резцов и буров. Ещё диборид рения.
Самый прочный металл и сплав: вольфрам, титан, хром
Среди чистых металлов чемпионы расходятся по дисциплинам.
Вольфрам берёт предел прочности: до ~1510 МПа, твёрдость 7,5–8,5 по Моосу. Но чистый вольфрам хрупок, поэтому в дело идёт легирование лантаном и оксидами. Хром — самый твёрдый чистый металл, ~8,5 по Моосу, отсюда и хромовое покрытие, которое держит царапины. Рений даёт ~1070 МПа плюс жаропрочность, поэтому он в сплавах для лопаток турбин.
Титан по твёрдости скромняга, около 6 по Моосу. Зато соотношение прочности и веса у него лучшее среди конструкционных металлов: Ti-6Al-4V даёт ~900–1200 МПа при плотности вдвое ниже стальной. Поэтому в самолёте вы найдёте титан, а не хром.
Другие рекорды металлов, к прочности прямо не относящиеся: вольфрам плавится при 3422 °C (в справочниках округляют до ~3420 °C), иридий держит модуль Юнга ~528 ГПа и максимальную коррозионную стойкость, осмий — самый плотный, 22,59 г/см³, и один из самых малосжимаемых. Замыкают металлические рейтинги тантал, рутений, бериллий и уран.
Сплавы обходят чистые металлы. Мартенситностареющие стали (maraging) вытягивают ~2700 МПа на разрыв, почти вдвое больше вольфрама. Отдельно стоит упомянуть β-Ti₃Au, соединение титана с золотом (Science Advances, 2016): по данным авторов, оно вчетверо твёрже чистого титана и биосовместимо, то есть кандидат для износостойких имплантатов.
CrCoNi: рекорд вязкости при −253 °C
Заголовки 2022 года про «самый прочный материал на Земле» относились к сплаву CrCoNi, и вот тут особенно важно понимать, о какой прочности речь. Рекорд поставлен по вязкости разрушения: по сопротивлению растущей трещине.
Сплав равноатомный: хром, кобальт и никель в равных долях, без основы и добавок. Такие тройные составы обычно относят к среднеэнтропийным, а не высокоэнтропийным сплавам, хотя в новостях их часто смешивают. Работу вели Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Ок-Риджская национальная лаборатория, публикация в Science в 2022 году, соруководитель — Роберт Ритчи, комментарий по результатам дал Исо Джордж из ORNL и Университета Теннесси. Возились почти десять лет: сначала охлаждали сплав до азотных 77 К (−196 °C), потом добрались до гелиевых температур.
При 20 К (−253 °C) вязкость разрушения дошла до ~500 МПа·м^0,5. Для масштаба, в тех же единицах: кремний около 1, алюминиевый корпус пассажирского самолёта около 35, лучшие стали порядка 100. Обычные материалы на морозе становятся хрупче. CrCoNi становится прочнее и пластичнее одновременно.
Дело в том, как сплав встречает движущиеся дефекты кристаллической решётки, дислокации. Барьера три, и включаются они по очереди:
- Дислокации скользят по параллельным плоскостям.
- Идёт нанодвойникование: решётка образует зеркальные двойники.
- Под самой большой нагрузкой элементарные ячейки перестраиваются из кубической упаковки в гексагональную.
Каждый следующий механизм съедает энергию, которую предыдущий уже не удерживает, и трещине не остаётся ресурса на рост.
Почему из CrCoNi не делают всё подряд? Кобальт и никель в дефиците, их выгребает аккумуляторная отрасль. Поэтому речь идёт не о массовом производстве, а о перспективной узкой нише: арктическая техника, криогенное оборудование, космос, где условия оправдывают цену материала.
Сверхпрочные волокна и стёкла: Dyneema, кевлар, паучий шёлк, палладиевое стекло
На килограмм массы металлы полимерным волокнам проигрывают, причём разгромно.
Dyneema, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE), самый прочный термопласт: ~3,6 ГПа на разрыв, примерно в 15 раз прочнее стали при равной массе. Работает длина молекул: цепи массой в миллионы атомных единиц против тысяч у обычного полиэтилена, и все вытянуты вдоль волокна. Кевлар, арамидное волокно, держит около тех же 3,6 ГПа — классика бронежилетов и корда. Zylon (PBO) ушёл дальше, ~5,8 ГПа, его ставят в тросы и защитное снаряжение.
Паучий шёлк остаётся эталоном природной инженерии: прочность плюс растяжимость, комбинация, которую до сих пор толком не воспроизвели синтетически. Хотя рекорд среди биоматериалов держит не паутина. Гётитовые зубы морских улиток-блюдечек показали ~4,9 ГПа, это прочнейший известный биологический материал.
Металлические стёкла — отдельный сюжет. Сплавы с аморфной, будто замороженной структурой, без кристаллической решётки, и обычно они прочные, но хрупкие. Палладиевое стекло состава Pd₇₉Ag₃,₅P₆Si₉,₅Ge₂ (Беркли, 2011) выбивается из правила: палладий позволяет материалу формировать полосы сдвига, поэтому под нагрузкой стекло деформируется вместо раскола. Прочность получается на уровне стали, а вязкость для стёкол нехарактерная.
Где применяются самые прочные материалы
У каждой дисциплины свои рабочие места.
- Сверхтвёрдые материалы (алмаз, эльбор, карбиды) — абразивы, резцы, свёрла, буровые коронки: всё, что режет и сверлит остальное.
- Жаропрочные металлы, вольфрам и рений: нити накала, электроды, сопла, лопатки турбин.
- Титановые сплавы — авиация, космос, имплантаты, где каждый грамм на счету.
- CrCoNi — пока не серийный материал: как перспективные области называют криогенные баки, арктическую технику, космические конструкции.
- Волокна (Dyneema, кевлар, Zylon) идут в бронежилеты, канаты, парусный такелаж, страховочные тросы.
- Мартенситностареющие стали — силовые узлы авиации, пресс-формы, оснастка.
А верхушка таблицы по твёрдости — лонсдейлит с вюртцитным нитридом бора и фуллеритами — не применяется нигде. Одних нет в макрообъёмах, другие синтезируются микроскопическими крупинками. Между рекордом на нанообразце и деталью в машине лежат десятилетия инженерной работы. К тому же в реальной технике пиковая прочность часто значит меньше, чем усталостная — способность выдержать миллионы циклов нагрузки без роста трещин.
Частые вопросы
Какой самый прочный материал в мире по прочности на разрыв? Графен, ~130 ГПа на бездефектном монослое (Колумбийский университет, 2008). При равной толщине это примерно в 200 раз выше стали, но цифра относится к идеальному образцу атомарного масштаба, а не к чему-то, что можно взять в руки.
Что твёрже алмаза? На симуляциях — лонсдейлит (на ~58%) и вюртцитный нитрид бора (на ~18%), прямых измерений на макрообразцах нет. По отдельным измерениям алмаз превосходят фуллериты, 150–300 ГПа. Из надёжно измеренного на алмазном уровне стоит AM-III, 110–116 ГПа.
Какой самый прочный металл в чистом виде? Смотря что мерить. Предел прочности — вольфрам, до ~1510 МПа. Твёрдость — хром, ~8,5 по Моосу. Жёсткость — иридий, модуль Юнга ~528 ГПа. По удельной прочности среди конструкционных металлов первый титан.
Какой самый прочный материал на Земле среди природных? Из минералов алмаз: 10 по Моосу, 60–150 ГПа по Виккерсу. В живой природе рекорд у гётитовых зубов морских улиток-блюдечек, ~4,9 ГПа, и это выше паучьего шёлка.
Чем режут алмаз, если он самый твёрдый? Алмазом же: порошком, дисками с алмазным напылением, плюс лазер. И выручает разница между твёрдостью и прочностью — алмаз раскалывается по плоскостям спайности, на чём веками стоит работа огранщиков.
Почему каждый год объявляют «новый самый прочный материал»? Критерий всякий раз новый: где-то твёрдость, где-то прочность на разрыв, где-то вязкость разрушения, как у CrCoNi. Напрямую такие рекорды сравнивать нельзя, это разные физические величины в разных единицах.
