纳米级金刚石的合成及其应用 |
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| 2008-3-13 9:05:00 |
1 前言
纳米技术是九十年代后兴起的一个高新技术，纳米级金刚石由尺寸为纳米级，即十亿分之一米金刚石微粒组成，是近几年来用爆炸技术合成的新材料。它不但具有金刚石的固有特性，而且具有小尺寸效应、大比表面积效应、量子尺寸效应等，因而展现出纳米材料的特性。在爆轰波中合成的这种金刚石具有立方组织结构，晶格常数为(0.3562+0.0003) nm，晶体密度为3.1 g/cm3 ，比表面积为300 m2／g～390 m2／g。在不同的化学处理后，金刚石表面可形成多种不同的官能团，这种金刚石晶体具有很高的吸附能力。
据有关资料介绍，俄、美等国在爆炸合成纳米级金刚石技术及应用开发方面起步较早，已开发出不少产品。我国在该领域的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的成果。
2 国外产品研究开发状况
(1)抗磨润滑油
在爆炸容器中，收集到的炸药爆轰产物，是由纳米级金刚石和无定形碳组成的固体，这种纳米级超细微粉有很高的活性，用它调制发动机磨合油和工业润滑剂，可以大大提高耐磨性能。如俄罗斯生产的N—50A润滑剂，就是利用纳米级金刚石微粉作为添加剂。该油品可用于内燃机磨合，使磨合时间缩短50%～90%，同时可提高磨合质量，节省燃料，延长发动机使用寿命。还可用于精密加工机床上的润滑，使用结果表明该油品较普通机床油减少耗油量50％。
(2)提高金属镀层的耐磨性
电镀时，在电解液中加入适量纳米级金刚石微粉，会使电镀金属晶粒尺寸变小，显微硬度增强。根据大量工业实验得出的结果说明，含纳米级金刚石的金属镀层的耐磨性明显提高。
表1钻头直径／mm 被加工金属种类 提高倍数(使用效果)
0.8～1.2 玻璃胶布板 2.7～3.3
1.0～2.0 玻璃胶布板 10.0～20.0
1.5～2.5 钢 1.5～1.7
3.5～10.0 钢 2.0
6.0～10.0 不锈钢 1.8～3.0
7.2～8.5 钢 1.5～1.8
10.0 不锈钢 1.9
20.0 铸铁 6.0～8.0
表2 铬金刚石镀层压制模具的实验结果
压制材料 提高倍数(使用效果)
铁及不锈钢粉末 9～15
无线电工业陶瓷粉末 4～5
塑料粉末 2～3
*与渗氮、渗碳、镀铬强化及采用特殊钢的工具比较，相对寿命。
表3 铬金刚石镀层冲压工具（阴模、阳模）在板材冲压时的实验结果
工序 被加工材料 提高倍数(使用效果)
冷挤压
钢 铜、铝 1.6～1.8 2.0～3.0
冲裁 玻璃胶布板 黄铜 1.6～2.4 2.0～4.0
拉伸 镀黄铜钢 2.8～3.0 成形 钢 1.4～1.8
(3)添加纳米级金刚石的金属润滑剂
降低机器零件连接处摩擦和燃料损失，其途径之一就是改善摩擦副表面的性能。目前常用金属润滑剂预磨摩擦副表面，把金属润滑剂的抗磨性赋予摩擦副表面。乌克兰科学院研制成了含纳米级金刚石粉末的金属润滑剂，其牌号为M5—20和M5—21，未加纳米级金刚石粉末的金属润滑剂牌号为M08—1—1，实验数据证明含纳米级金刚石粉末的金属润滑剂能将磨损度降低1.7～2.0倍，使磨合时间缩短1.5～2.4倍，摩擦系数减少1.25～2.0倍。
(4)含金刚石的新型耐磨材料
1992年美国的Yashchenko等人用粉末冶金法制成了一种新型抗磨材料，这种材料是把铜锌和铜锡粉末与纳米级金刚石粉末按一定比例混合，经压实，然后在氢气中烧结制成的。这种新型材料可用于内燃机缸套和其它传动机械的衬套制造也可用于制造滑动轴承等，由于这种新材料含有摩擦系数小、热传导率高的纳米级金刚石粉末，才具有高的抗划痕性和耐磨性。
(5) 纳米级金刚石其它用途
配制高级研磨膏和抛光液。用于超精细加工石英、光学玻璃、半导体、合金和金属表面，能有效提高加工精度。
制造增强橡胶、增强塑料、增强树脂。目前橡胶所用的增强剂多半为纳米级炭黑，若改用爆轰合成的含纳米级金刚石的炭黑，能使其强度提高1～4倍，改善其耐磨性和密封性。
配制催化剂。爆轰合成的纳米级金刚石和无定形碳，有很大的比表面积，含有各式各样的表面官能团，活性很强，用其配制催化剂，可提高活性数据促进有机化合物的相互作用。
制备纳米复合结构材料。把纳米级金刚石与纳米硅粉、纳米陶瓷和各种纳米金属复合，可制造出新型的纳米结构材料，因其独特的性能，可制造半导体器件，集成电路元件和微机零件等。
3 国内研究状况
国内研究纳米级金刚石技术起步较晚，目前从事这一研究的单位有北京理工大学、第二炮兵工程学院、兰州化学物理所等少数单位。我们历经三年多的探索研究，自行设计制造了制备纳米级金刚石的大型封闭式爆炸容器，配制了相应设备，进行了一系列爆炸实验;研究了负氧平衡炸药爆炸生成纳米级金刚石的机理;研究了装药组分、形状、爆温、爆压、以及急速冷却和压力保持对金刚石产率的影响;研究了产物回收与纳米级金刚石的提纯技术。现在超细金刚石产率已达到装药量的10%，提纯度已达到97%，粒度均匀，平均粒径5 mm，已具备产业化生产的基础。
为了寻找应用领域，我们与西安交通大学合作，利用纳米金刚石微粉的特性，研制开发了一种高效专用内燃机磨合油（MR—OIL）。经过实验室理化指标测试和发动机实车台架试验，证明该油品能显著缩短时间、提高磨合品质、改善发动机配合副表面耐磨性能、延长发动机使用寿命，实现了发动机磨合与表面改性有机结合。我们与北京天工表面技术有限公司合作，用纳米级金刚石增强其“天工”牌系列金属修补剂（用于各种工程机械、各种管路在不同环境下修补）。经实验测定，抗拉强度提高71.98%，扭转强度提高19.75%，耐磨性提高154.82%，我们与西安交大电子材料与器件研究所合作，将纳米金刚石与纳米硅进行复合，把纳米金刚石与有机玻璃复合，研究开发新形电子器件材料。我们还将与第四军医大学合作，用纳米金刚石粉作为生物抗体的载体，由于这种金刚石粉具有很好的表面惰性，不含重金属杂质，因此不会使生物抗体发生结构和性能上的变化，不会影响其功能的发挥，有可能在医疗上得到广泛的应用。
4 前景展望
用爆炸法制备的纳米级金刚石是由纳米尺寸的圆球形颗粒组成的材料，具有一系列特殊的结构和性能。从目前国外的研究开发动向来看，此种金刚石的应用前景广阔。例如：用作玻璃、半导体、金属和合金表面超精细加工抛光粉的添加剂；作为磁柔性合金成分制备磁盘和磁头；用作生长大颗粒金刚石的籽晶；用作强电流接触电极表面合金成分；制备半导体器件和集成电路元件（金刚石和类金刚石薄膜异向外延，金刚石半导体晶体管，可见和紫外波段发光二极管，蓝光和紫外光发光材料，集成电路的高热导率散热层）以及用于军事隐身材料等许多领域，并取得一定的进展。 |
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| * 本信息真实性未经中华粉末冶金网证实，仅供参考。 |
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