Pentru un profan, rezistența și duritatea sunt practic același lucru, dar pentru un inginer de materiale, cele două sunt foarte diferite. În timp ce rezistența oricărui material indică rezistența sa la deformare, duritatea denotă capacitatea sa de rezistență la zgârieturi în general. Rezistența oricărui material se măsoară prin rezistența la tracțiune, adică puterea de rezistență a oricărui material înainte de a se rupe sub presiune continuă.
Știți care este cel mai rezistent material de pe Pământ? Ei bine, dacă răspunsul este nu, ați ajuns la destinația corectă. Vă prezentăm câteva dintre cele mai puternice materiale cunoscute de omenire.
26. Oasele umane
Fibrele de colagen mineralizate din os
Rezistența la tracțiune: 130 MPa
Oasele noastre s-ar putea să nu fie cel mai puternic material din lumea naturală, dar este totuși mai puternic decât multe alte lucruri. Oasele din corpul nostru nu numai că protejează organele umane, dar ajută și la producerea de celule albe din sânge și la stocarea mineralelor și ne permit să facem muncă. După cum știm, oasele vin în diferite forme și dimensiuni și nu toate oasele din corpul nostru sunt puternice. Cel mai tare os din corpul nostru este femurul sau osul coapsei.
25. Carbură de siliciu
Rezistența la tracțiune: 137,9
Carbura de siliciu este un semiconductor, alcătuit în principal din carbon și siliciu, și se găsește în mod natural sub forma mineralului Moissanite. Este utilizat pe scară largă în industria auto (discuri de frână ceramice), aparate electrice și chiar în astronomie (material pentru oglinzi în telescoape). De asemenea, este folosit pentru a produce oțel și grafenă în cantități mari.
24. Aliaj de aluminiu
Mig-29 rusesc este parțial fabricat din aliaj de aluminiu
Rezistența la tracțiune: 300 MPa
În timp ce aliajele de aluminiu sunt fabricate predominant din aluminiu, alte elemente, cum ar fi cuprul, manganul, siliciul și zincul, se găsesc, de asemenea, în cantități substanțiale. Practic, există două tipuri de aliaje de aluminiu disponibile: aliaje de turnare și aliaje forjate, ambele fiind subdivizate în continuare.
Aliajele de aluminiu sunt foarte utilizate în industria auto, în special în motoare: carcasele și blocurile de cilindri au avantajul greutății. Deși sunt utilizate pe scară largă în mai multe industrii, aliajele de aluminiu sunt cunoscute pentru rezistența lor scăzută la oboseală. Deoarece sunt foarte susceptibile să se deformeze la temperaturi ridicate, sistemele de răcire suficiente sunt importante în motoarele auto.
23. Siliciu monocristalin
Comparație între celulele solare cristaline. Siliciu monocristalin în dreapta.
Rezistența la tracțiune: 350 MPa
Siliciul monocristalin sau siliciul monocristalin este poate una dintre cele mai importante substanțe ale noii ere, deoarece este materialul principal pentru seturile de cipuri de siliciu pentru aproape toate gadgeturile electronice pe care le vedem în jurul nostru. Se bazează în primul rând pe siliciu solid, neted, neîntrerupt până la margini și lipsit de granițe.
22. Cupronichel
Rezistența la tracțiune: 350 MPa
Cupronichelul este compus în principal din nichel, fier, mangan și, bineînțeles, cupru. Acesta are o rezistență ridicată la coroziune și la macrosudură (acumularea de substanțe nedorite, organice/ anorganice), o conductivitate termică decentă, ductilitate și o rezistență superioară la tracțiune. Datorită rezistenței sale ridicate la coroziune, cupronichelul este utilizat pe scară largă în industria navală pentru a construi carenele și elicele bărcilor mici de pescuit.
21. Alamă mare
Crăpături în alamă cauzate de atacul amoniacului
Rezistență la tracțiune: 500 MPa
Alama înaltă este unul dintre tipurile de aliaje de alamă care este compus în principal din 65% cupru și 35% zinc, împreună cu multe oligoelemente, cum ar fi plumbul, aluminiul și manganul. Datorită rezistenței ridicate la tracțiune și a proprietății sale de rezistență la coroziune, este utilizat în principal la arcuri, șuruburi și nituri.
20. Sticlă de microaliaj de paladiu
Micrografia sticlei metalice pe bază de paladiu arată o ecranare plastică extinsă a unei fisuri inițial ascuțite. Grație imaginii: Berkeley Lab
În 2011, cercetătorii în domeniul materialelor de la California Institute of Technology împreună cu Berkeley Lab au dezvoltat un nou tip de sticlă metalică cu toleranță ridicată, mult mai rezistentă decât oțelul. După cum sugerează și numele său, această sticlă metalică este fabricată din paladiu, un metal strălucitor cu un raport de rigiditate ridicat care acționează împotriva fragilității sticlei, dar îi menține rezistența.
19. Aliaj de titan
Flat-12 Colombo într-un Testarossa din 1991
Rezistența la tracțiune: 1000 MPa
Aliajele de titan sunt motivul pentru care avem mașini sport puternice, dar ușoare, avioane uriașe, rachete și rachete, unde greutatea redusă, durabilitatea și rezistența ridicată sunt o necesitate.
Ele sunt extrem de ușoare și au o proprietate de rezistență ridicată la coroziune, acesta fiind unul dintre principalele motive pentru care constituie o mare parte din arborii de elice și alte părți ale navelor și ambarcațiunilor care sunt expuse în permanență la apă. Cu toate acestea, ele sunt limitate în mare măsură la utilizarea militară și la industria de vârf din cauza costului ridicat al materiilor prime și a limitării produsului.
18. Aliaj Liquidmetal
Rezistența la tracțiune: 550- 1600 MPa
Nu vă lăsați păcăliți de numele său, deoarece aliajele liquidmetal au o rezistență ridicată la tracțiune, rezistență adecvată la coroziune și nu sunt lichide la temperatura camerei. Dezvoltate de cercetătorii de la Universitatea Caltech, aliajele liquidmetal sunt mai flexibile în ceea ce privește turnarea în forme complexe fără finisare, datorită scăderii treptate a nivelului de vâscozitate în timp ce sunt încălzite. Acestea au fost introduse pentru prima dată în comerț în 2003, iar în prezent sunt folosite în cluburi de golf, capace de telefoane mobile și ceasuri.
17. Mătase de păianjen
Femela Argiope bruennichi își înfășoară prada în mătase
Rezistența la tracțiune: 1000 MPa
Probabil că ați văzut o pânză de păianjen și știți cum o folosește un păianjen pentru a prinde prada și a-și proteja puii. De asemenea, aceștia își folosesc mătasea ca mijloc pentru a pluti prin aer în timp ce fug de prădători. Dar știați că mătasea lor este, de asemenea, unul dintre cele mai rezistente materiale naturale de pe Pământ.
Rezistența mătăsii de păianjen variază de la o specie la alta și de la mai mulți alți factori externi, cum ar fi temperatura și umiditatea din timpul testării. Pe o scară comparativă, cea mai rezistentă mătase de păianjen este aproape la fel de rezistentă ca oțelul de calitate superioară, în timp ce are jumătate din rezistența Kevlar-ului
16. Carbură de tungstun
Vârfuri din carbură de tungsten Imagine de curtoazie: Hustvedt
Rezistența la tracțiune: 1510 MPa
Compusul de carbură de tungstun este alcătuit din părți egale de atomi de carbon și tungston. Este utilizat în principal în uneltele industriale grele, cum ar fi instrumentele de tăiere și gloanțele de calibru mare. Deși, carbura de tungsten este în principal o pulbere fină de culoare gri, aceasta poate fi stoarsă pentru abrazive și bijuterii. În medie, carbura de tungsten este mult mai rezistentă decât oțelul. Are un modul Young de 700 (capătul de sus) GPa și o densitate undeva între cea a plumbului și cea a aurului.
15. Fibre de UHMWPE (Dyneema)
Rezistență la tracțiune: 2300-3500 MPa
Dyneema este o fibră de polietilenă rezistentă și ultraușoară, care este utilizată în principal ca plăci compozite ale armurilor personale și ale vehiculelor. Este, de asemenea, utilizată în echipamente de alpinism, frânghii de pescuit, corzi de arc etc. Are o rezistență totală la rupere de 2,4 Gpa și o greutate specifică scăzută de 0,97 g/cm3.
14. Fibră de sticlă
Pachet de fibră de sticlă
Rezistența la tracțiune: 3450 MPa
Timp de zeci de ani, cercetătorii s-au jucat cu ideea de a realiza un material din sticlă fină, dar aceasta a devenit realitate abia în anul 1932, Russell Slayter a construit un material similar și l-a folosit ca izolație termică pentru clădiri. Fibra de sticlă are proprietăți mecanice comparabile cu cele ale polimerilor și ale fibrei de carbon. Chiar dacă fibrele de sticlă nu sunt la fel de rezistente ca fibrele de carbon, sunt mult mai ieftine și mai puțin fragile atunci când sunt folosite în diferite materiale compozite.
13. Oțelul maraging
Rezistența la tracțiune: 2693 MPa
Oțelurile maraging sunt o varietate specială de oțeluri cu rezistență foarte mare, a căror rezistență provine mai degrabă din compuși intermetalici decât din carbon. Acestea sunt cunoscute pentru rezistența și duritatea lor, fără a-și pierde ductilitatea. Unul dintre elementele principale utilizate în oțelul maraging este fracția masică de 25% de nichel, în timp ce cobaltul și titanul sunt, de asemenea, utilizate în combinație.
Raportul greutate/rezistență mai bun decât al majorității celorlalte oțeluri permite ca oțelul maraging să fie utilizat pe scară largă la rachete și învelișurile rachetelor. Oțelul este, de asemenea, potrivit pentru componente importante ale motoarelor, cum ar fi arborele cotit și angrenajele. O utilizare mai populară a oțelului maraging este cea a lamei folosite la un joc de scrimă.
12. Diamant
Rezistența la tracțiune: 2800 MPa
Diamantul este cel mai dur mineral natural cunoscut care se găsește pe Pământ, conform scalei Mohs. Duritatea diamantului depinde de puritatea sa, iar cel mai dur diamant poate fi zgâriat doar de alte diamante. Unele diamante de culoare albastră sunt semiconductori naturali, altele sunt izolatori electrici, iar restul sunt conductori electrici. Anual se extrag aproximativ 26000 kg de diamante, din care 50% diamante provin din Africa Centrală și de Sud.
11. Vectran
Structura moleculară a Vectranului
Rezistența la tracțiune: 2850-3340
Produs exclusiv de corporația japoneză Kuraray, Vectran este un poliester stabil din punct de vedere chimic, cu rezistență ridicată și durabilitate termică. Este utilizat în principal ca o aplicație pentru cabluri electrice, frânghii și este, de asemenea, utilizat ca unul dintre materialele compozite pentru anvelopele de biciclete de înaltă calitate etc. Un dezavantaj al Vectranului este că, în ciuda rezistenței sale la tracțiune mai mari, tinde să se confrunte cu fracturi.
10. Kevlar
Rezistența la tracțiune: 3.620 MPa
Kevlarul a fost folosit pentru prima dată în anii 1970, nu în echipamentele militare, ci ca înlocuitor al oțelului în anvelopele de curse. În prezent, Kevlarul are numeroase aplicații, de la anvelope de bicicletă și vele de curse la veste antiglonț, datorită raportului ridicat dintre rezistența la tracțiune și greutate; după această măsură, este de 5 ori mai rezistent decât oțelul.
9. Patella vulgata
Rezistența la tracțiune: 3000-6500 MPa
Cunoscută în mod obișnuit sub denumirea de lapie europeană, este o specie de melci de mare care se găsește în principal în Europa de Vest. Dinții lor sunt unul dintre cele mai rezistente materiale descoperite până în prezent. Un studiu din 2015, publicat în Royal Society Journal, a indicat că un dinte de lapie europeană poate fi mai puternic decât mătasea de păianjen, care este oficial cel mai puternic material natural de pe Pământ. Rezistența lor la tracțiune este comparată cu cea a fibrelor de carbon din comerț.
8. Buckypaper
Realizat inițial din nanotuburi de carbon, se crede că buckypaper sau buckytuburile sunt de aproximativ 50.000 de ori mai subțiri decât un fir de păr uman mediu și de 500 de ori mai rezistente decât oțelul. O altă caracteristică interesantă a buckypaper este că poate dispersa căldura ca alama sau oțelul și poate conduce electricitatea ca și cuprul sau siliciul.
7. Zylon
Rezistența la tracțiune: 5800 MPa
Zylon este conceput și dezvoltat exclusiv de SRI International ca o varietate specială de polioxazol lichid-cristalin termorigid. Este de 1,6 ori mai rezistent decât Kevlarul și, la fel ca și Kevlarul, Zylon este utilizat într-o serie de aplicații care necesită o rezistență foarte mare cu o stabilitate termică excelentă. Rachetele de tenis, lamele de tenis de masă și plăcile de snowboard sunt câteva dintre aplicațiile sale cunoscute.
6. Fibra de carbon
Rezistența la tracțiune: 5800
Fibrele de carbon au un diametru de aproximativ 5-10 micrometri și sunt compuse în principal din atomi de carbon. Acestea au mai multe avantaje față de oțel și aliaje, inclusiv rigiditate ridicată, rezistență mare la tracțiune, greutate redusă, rezistență chimică ridicată, toleranță la temperaturi ridicate și dilatare termică redusă.
Aceste proprietăți au făcut ca fibrele de carbon să fie foarte populare în industria aerospațială, militară, de inginerie civilă și sport. Cu toate acestea, ele sunt relativ scumpe în comparație cu fibrele similare, cum ar fi fibrele de sticlă sau fibrele de plastic.
5. forma 3D a grafenului dezvoltată de inginerii de la MIT
Recent, o echipă de cercetători de la MIT a dezvoltat un material ușor, despre care se crede că este unul dintre cele mai rezistente materiale create de om pe Pământ. Cercetătorii au descoperit materialul prin comprimarea și fuzionarea unor bucăți mici de grafenă. Materialul rezultat este asemănător unui burete cu o densitate de doar 5% din cea a oțelului, dar cu o rezistență de 10 ori mai mare decât a acestuia.
Se crede că forma bidimensională a grafenului este cea mai rezistentă dintre toate materialele cunoscute, iar cercetătorii încearcă să descopere modalități de implementare a grafenului 3D în scopuri comerciale.
4. Nanotuburi de carbon
Rezistența la tracțiune: 11000-63000 MPa
La fel ca diamantul și grafitul, nanotuburile de carbon sunt unul dintre alotropii de carbon în nanostructură cilindrică. Rezistența lor excepțională și greutatea mai mică reprezintă motivul pentru care sunt valoroase pentru industria electronică și nanotehnologie. În plus, datorită conductivității lor termice excelente, proprietăților electrice și mecanice, nanotuburile de carbon sunt de bază pentru multe industrii.
3. Lonsdaleit
Rezistența la tracțiune: +2800 MPa
Lonsdaleitul, cunoscut și sub numele de diamant hexagonal, a fost numit în onoarea lui Kathleen Lonsdale, un celebru cristalograf irlandez. Lonsdaleitul este un mineral natural, care se formează atunci când meteoriții care conțin grafit lovesc pământul. Căldura și stresul rezultate în urma lovirii transformă grafitul în diamant, păstrând în același timp rețeaua cristalină hexagonală a grafitului. Se crede că lonsdaleitul este cu 58% mai dur decât diamantul.
Citește și: 12 cele mai mortale substanțe de pe Pământ
2. Nanotubul de bor Wurtzite
Rezistența la tracțiune: 33000
Nitritul de bor Wurtzite este una dintre cele mai rare substanțe din lume. Acestea se găsesc în mod natural sau sunt sintetizate manual. Diferite simulări au arătat că nanotuburile de bor Wurtzite pot rezista la o tensiune cu 18% mai mare decât diamantul. În mod natural, aceștia sunt produși în timpul erupțiilor vulcanice, datorită temperaturilor și presiunii foarte ridicate.
1. Grafene
Grație imaginii: AlexanderAlUS
Rezistența la tracțiune: 130000 MPa
Grafenul este probabil cel mai rezistent material cunoscut de oameni. Este compus în principiu dintr-un singur strat de atomi de carbon dispus într-o rețea triunghiulară și este elementul structural de bază în cărbune, grafit și nanotuburi de carbon. Grafenul este cunoscut pentru multe proprietăți unice; este un bun conductor de căldură și electricitate, fiind în același timp transparent.
Citește și: 10+ cele mai dure minerale din lume | Pe scara Mohs
Deși este produs în cantități mici de peste un secol, prima descoperire izolată a grafenului a fost făcută de Andre Geim și Konstantin Novoselov în 2004, ambii primind premiul Nobel pentru fizică pentru contribuțiile lor. Rezistența masivă a grafenului la tracțiune de 130000 MPa arată că este de peste 200 de ori mai puternic decât oțelul, motiv pentru care este utilizat în mare măsură în industria aerospațială și auto.
