超硬材料是指通過維氏硬度測試測得的硬度值超過 40 吉帕 (GPa) 的材料。 它們實際上是不可壓縮的固體，具有高電子密度和高共價鍵。 由于其獨特的性能，這些材料在許多工業領域引起了極大的興趣，包括但不限于磨料、拋光和切割工具、盤式制動器以及耐磨和保護涂層。

金剛石是迄今為止已知的最硬材料，維氏硬度在 70–150 GPa 范圍內。 金剛石同時具有高導熱性和電絕緣性，人們非常關注尋找這種材料的實際應用。 然而，金剛石在大規模工業應用方面存在一些局限性，包括成本高和在 800 °C 以上的溫度下會氧化。 此外，金剛石溶解在鐵中并在高溫下形成碳化鐵，因此在切割包括鋼在內的黑色金屬材料時效率低下。 因此，最近對超硬材料的研究一直集中在比純金剛石具有更高熱穩定性和化學穩定性的化合物上。

尋找新的超硬材料通常采用兩條路徑。 在xxx種方法中，研究人員通過結合硼、碳、氮和氧等輕元素來模擬金剛石的短而定向的共價碳鍵。 隨著 C3N4 和 B-C-N 三元化合物的探索，這種方法在 20 世紀 80 年代后期開始流行。 設計超硬材料的第二種方法結合了這些較輕的元素（B、C、N 和 O），但也引入了具有高價電子密度的過渡金屬以提供高不可壓縮性。 通過這種方式，具有高體積模量但低硬度的金屬與小的共價形成原子配位以生產超硬材料。 碳化鎢是這種方法的工業相關體現，盡管它不被認為是超硬的。 或者，與過渡金屬結合的硼化物已成為超硬研究的豐富領域，并導致了 ReB2、OsB2 和 WB4 等發現。

超硬材料一般可分為兩類：內在化合物和外在化合物。 本征組包括金剛石、立方氮化硼 (c-BN)、氮化碳和三元化合物，例如 B-N-C，它們具有先天硬度。 相反，外在材料是那些具有超硬度和其他機械性能的材料，這些性能由它們的微觀結構而不是成分決定。 外在超硬材料的一個例子是稱為聚集金剛石納米棒的納米晶金剛石。

材料的硬度與其不可壓縮性、彈性和抗變形能力直接相關。 超硬材料具有高剪切模量、高體積模量，并且不發生塑性變形。 理想的超硬材料應具有無缺陷、各向同性的晶格。 這xxx減少了會降低材料強度的結構變形。 然而，缺陷實際上可以加強一些共價結構。 傳統上，高壓和高溫 (HPHT) 條件已用于合成超硬材料，但最近的超硬材料合成旨在使用更少的能量和更低成本的材料。

從歷史上看，硬度首先被定義為一種材料刮擦另一種材料的能力，并用莫氏硬度表上 0 到 10 的整數（有時是半整數）進行量化。 然而，很快就發現這個比例過于離散和非線性。 測量材料的機械硬度改為使用納米壓痕儀（通常由金剛石制成）并評估體積模量，并且開發了布氏、洛氏、努氏和維氏標度。

盡管維氏量表被廣泛接受為最常見的測試，但在測試期間要施加的重量負荷仍存在爭議。 這是因為維氏硬度值與載荷有關。 0.5N 壓痕的硬度值高于 50N 壓痕的硬度值。 這種現象稱為壓痕尺寸效應 (ISE)。 因此，除非還報告了負載，否則硬度值沒有意義。 一些人認為，硬度值應該在漸近線（高負荷區域）中始終如一地報告，因為這是材料硬度的更標準化表示。

體積模量、剪切模量和彈性是超硬分級過程中的關鍵因素。 材料的不可壓縮性由體積模量 B 量化，它測量固體在靜水應力下對體積壓縮的抵抗力，如 B = ?Vdp/dV。 這里 V 是體積，p 是壓力，dp/dV 是壓力對體積的偏導數。 體積模量測試使用壓頭工具在材料中形成xxx變形。