一般认为金刚厂的硬度在工程技术人员常用的莫氏硬度表上占首位，其硬度值为10。不过材料科学家目前认为他们有可能制成一种物质而使该表必须加以拓展。这种“超硬”物质有可能在应用中替代稀少且价钱昂贵的金刚石。目前这一替代是不可避免的。

某物质的硬度是对该物质抵抗弹性和塑性两种形变测量的值。上述超硬物质应具备更难压缩、拉伸、被刻划或使之凹陷等方面的特性。因为硬度值必需取决于一组数据，所以很难用一个数精确表示它。通常工程技术人员使用的莫氏硬度表是根据经验编制的。

金刚石不仅硬度大，在室温下还具有良好的导热率，其工作面上所产生的热能迅速散发，所以金刚石在众多的技术（如切削、研磨、抛光）方面可供人选用。另外，金刚石可透过可见光和红外线，它还能经得住离子辐射的作用，并能抵抗酸和氧化物的化学腐蚀。但当700℃时，它即在空气中燃烧变成二氧化碳，因此它一般不用来切削钢铁。

研制比金刚石更硬的材料的探索已经进行好几年了。如果这种更硬的材料在有害化学环境中具有更强的抗氧化性，那将是很有益的。另外它还应该比金刚石更能经受高温，以使它能在高温电子学中替代硅。若具良好的导热率则更好，这样会使它能更有效地散热。在需要替代普通润滑材料而金刚石薄膜又不能用的地方（例如高速切削刀具、食品加工设备及计算机磁盘之类的磁存储设备），超硬性将十分引入注意。

轮润滑的改进

油类润滑剂不能用于高温高压条件下机器零部件转动的润滑。然而一层光滑的超硬材料覆盖层即能理想地降低运动零部件间摩擦，超硬物质表面原子紧紧包住部件的其它部分，并降低它与别的部件接触时产生的时时刻刻都要使它停下来的摩擦力。

超硬物质一般由很轻的轻元素构成，它能代替钢做成用于高速机器设备的部件（如滚珠轴承）。转动力常磨损轴承而使其松动，因此这种轻物质覆盖层使部件更耐用。各种制品都将因此获益。它将从航天部门开始，最终扩展到较常见的机器设备（如复印机）。

科学家已求助于理论帮助他们设计超硬材料。定性地讲，硬度比莫氏硬度表中所使用的体积弹性模量K更明确。K是均匀压力作用下体积的各向压缩比（严格的定义表明，K有压强单位的意义）。从原子尺度上讲，材料硬度由构成物原子的堆砌密度及它们之间化学键的强度确定。堆砌越密，化学键越牢固越好。晶体的微观缺陷往往使体积弹性模量减小，因为它有可能造成外加压力作用不均匀分布，从微观尺度看，K还受空隙和晶粒尺寸大小的影响。

理想金刚石由无穷的碳原子阵列构成。每个碳原子与其邻近四面体各角上排列的原子形成共价键。共价键具有很强的抗变形能力，所以由共价键形成的晶格非常牢固，这对金刚石的硬度是有利的。

加州大学的科恩（Marvin Kohen）和阿梅 · 刘（Amy Liu）在伯克利通过实验测理得到了计算具四面体结构的固体物质（如金刚石）的K值换算方程。他们估计K=（1971~220Ω） · d。这里Ω的值（可能为2~0），表明其化学键是共价的，而d则是以?为单位的键长，对于金刚石，d大约等于1.53，Ω为0，K等于443×10⁹帕。

赖德尔（Ralf Reidel）及他的研究组在斯图加特普朗克冶金研究所曾致力于合成一种含有硼、碳和氮的新型陶瓷材料。碳氮化硼虽然还不能算是超硬材料，但它却具有一些有趣的电学性质。与其类似的氮化硼（它的分子中没有碳原子）是最有希望的材料，在立方体晶格氮化硼晶体中，各基元的轴相互垂直排列。不过科恩等原先想通过得到这种晶体而获得超硬材料的希望破灭了，经过计算（在他们那个换算方程基础上）其体积弹性模量大概仅有367×10⁹帕，低于金刚石，研究人员以后通过实验确认它的体积弹性模量为369×10⁹帕，虽然其硬度未能达到要求，但它却有金刚石的其它许多特点，如高热导率及稳定性等。

显然，要力争达到光辉目标，使物质具备超硬性，那么这种物质就应该具有非常短的共价键，刘和科恩认为在理论上，一种化学式为C₃N₄的碳氮化合物能满足要求，因此他们的预定目标是研制结构式为β-C₃N₄的晶体。根据对已知硅化物β-Si₃N₄测量结果推算，他们估计碳化硅的Ω值为0.5，d可能在1.47~1.49之间，由此算出β-C₃N₄的体积弹性模量大约在（461~483）×10⁹帕之间。为支持这一结果，研究人员又一次计算了它的弹性模量*这次他们的工作源于基本原理并得到超级计算机的帮助，所得到的K值为427×109帕，这样从理论上讲，β-C₃N₄至少应该有压缩性这一项可与金刚石匹敌。

不管怎样，要合成此类化合物毕竟还是有困难的。1990年威克瑟姆（Michael Wixom）等报告，通过对三聚酰胺树脂和甲醛树脂作热处理并采用骤然加压，在这个过程中，他们用瞬间爆发的高温高压诱发出一个“瞬时的”晶体结构，但是威克瑟姆并没有在其产品中找到任何具有四面体结构的β-C₃N₄。

去年，伊利诺斯州Evatston西北大学的Yip-Wsh Chung和他的研究组似乎更前进了一步，他们使用了比较经济的方法——电流磁控阴极喷涂。Chung和他的同事们制备了几微米厚仅含碳、氮原子的薄膜，该小组在不同条件下，在包括多晶锆，氯化钠和特殊玻璃等各种物质上培育了一系列薄膜。

做硬度试验时，他们使用的是沉积在硅表面的薄膜，对该材料表面戳洞，他们使用了金刚石压头（称为毫微米压头）。通常金刚石压头总会在某一材料表面留下印痕，但Chung在实验中没见到印痕。这大概有两个原因：这层新膜或者比金刚石更硬；或者具有超弹性，即具有特别高的屈服强度，刚被金刚石压头戳过就立即恢复了它原来的形状。Chung还在实验中测量了该材料对钢铁的摩擦阻力，并得到同金刚石相近的值。

问题是Chung在检验其材料是否超硬时，所使用的材料表面是否为仅含β- C₃N₄的单相结晶，迄今为止，所制得的这种材料都是非晶态混合物，其中晶体仅占百分之几。Chung说他已料到非晶态混合物的硬度低于晶体。“不管怎样，在较软的混合物中只要有超硬微粒存在，就能形成有足够强度的覆盖层。”

探索更大突破

当真正的超硬物质即将被找到时，Chung却不愿作出预言，不过他的研究组正打算筹建生产联合体，并考虑其商业性的应用。

可是，有些人如Harwell原子能管理局材料开发处的布尔（steve Bull）怀疑超硬物质的大批量生产究竟是否可行，他认为研究生产金刚石和氮化硼立体晶体能获得更多的利润。

剑桥大学材料科学系的埃维茨（John Evetts）和索姆斯（Rob Someth）则不表示怀疑。他们希望让超硬性方面的研究继续下去，并广泛寻求对他们计划的财务支持。埃维茨认为这一研究是“高风险”的但他说β-C₃N₄似乎非常有趣。

包括Reidel和Chung在内的一些研究人员认为，硼基化合物也应该是有考虑价值的。硼单质和金刚石一样都有很小的克分子体积（从某种意义上讲，它等同于硬度，他们研究了不同的碳、硼的氮化物，及与金属元素等结合所构成的金属陶瓷合金。尽管这样，构成金刚石的材料碳，仍保持着它的霸主地位。IBM研究实验室和康奈尔大学的科学家已报道了一种新巴基球，它是在约20000个大气压下结晶形成的，其体积弹性模量甚至高于假设的超硬材料β-C₃N₄。

[New Scientist，1993年3月23日]