纳米级金刚石的合成及其应用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

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本文介绍了利用爆炸法合成的纳米级金刚石及其在磨合油、金属修补剂等方面的应用，同时介绍了国外的应用开发情况。

关键词　纳米级金刚石，爆炸法

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％［1］。
　　
(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［1］，见表1～表3。

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［2］，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［3］，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［4］。　　
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［5］。　　

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