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| 拓展應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，促進納米金剛石發(fā)展 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2014-12-08 10:17:23 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）納米金剛石應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，應(yīng)用技術(shù)水平在不斷提高，并展示出其誘人的應(yīng)用前景。但是，應(yīng)強調(diào)的是，在未來的日子里，我們對納米金剛石的分散技術(shù)、分級技術(shù)、純凈技術(shù)與表面修飾技術(shù)要引起高度重視，因為這是一項精細的、深層的、完整的系統(tǒng)工程，只有解決好這些技術(shù)問題，納米金剛石才會迎來真正意義的大發(fā)展。
1.引言
納米金剛石早在上個世紀(jì)60年代，就已經(jīng)被原蘇聯(lián)的科學(xué)家開發(fā)出來，美國隨后也開發(fā)成功了，卻因為沒有工業(yè)化量產(chǎn)，一直未能引起人們的關(guān)注。直到2000年以后，隨著爆轟技術(shù)的成熟，俄羅斯、中國、日本和歐盟都相繼實現(xiàn)了納米金剛石的工業(yè)化生產(chǎn)，再加上納米金剛石具有單晶金剛石的所有優(yōu)點和納米材料大的比表面所帶來的納米效應(yīng)，使得這種材料超乎尋常的優(yōu)異性能逐漸為人們所認識，如超高的表面硬度和力學(xué)強度、優(yōu)異的電絕緣性、最高的導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性。正是這些優(yōu)異的性能，使得納米金剛石在高強、耐磨復(fù)合材料、高精密研磨拋光、納米流體、納米潤滑和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有無以替代的應(yīng)用前景。
材料是基礎(chǔ)，特性是內(nèi)因，應(yīng)用是動力。材料特性的多樣性，決定著應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性。我們所說的納米金剛石包括納米金剛石單晶、納米金剛石多晶和納米金剛石膜。綜合現(xiàn)有關(guān)于納米金剛石應(yīng)用基礎(chǔ)的研究結(jié)果可知，納米金剛石的應(yīng)用性能，主要取決于三個關(guān)鍵因素：金剛石的顆粒尺寸、碳原子雜化狀態(tài)與表面化學(xué)特性。本文僅著重講述有關(guān)納米金剛石單晶與多晶方面的應(yīng)用技術(shù)問題。
2.納米金剛石的應(yīng)用
2.1 在計算機磁頭拋光中的應(yīng)用
隨著計算機工業(yè)的發(fā)展，特別是隨著計算機硬磁盤密度的迅速提高，磁頭/磁盤間隙已趨于10nm以下，磁頭和磁盤的表面粗糙度、劃痕和雜質(zhì)顆粒會對計算機磁盤造成致命的危害。目前計算機磁頭工業(yè)使用的微米級拋光液已不能適應(yīng)其發(fā)展，因為這種拋光液拋光的計算機磁頭在高倍顯微鏡下觀察存在明顯的劃痕和鑲嵌顆粒，拋光后的表面粗糙度Ra為0.45～0.80nm，因此急需開發(fā)新型的計算機磁頭拋光液。
納米金剛石可用作計算機磁頭的超精密拋光，拋光后的磁頭表面常見的劃痕、鑲嵌顆粒及雜質(zhì)消失，表面粗糙度小于0.2nm，改善表面粗糙度50%以上。表面粗糙度的改善利于磁頭鍍DLC膜，提高了磁頭的防腐能力和磁頭抗靜電擊穿能力，解決了計算機磁頭工業(yè)的致命危害。
2.2 納米金剛石潤滑油在工程機械中的應(yīng)用
我國的工程機械使用壽命和可靠度只及發(fā)達國家的1/2～1/3，究其原因，80%是由于用油不當(dāng)、潤滑不佳，造成零配件過度磨損，從而使整機過早報廢。如何提高工程機械的可靠度并延長它的使用壽命，已成為行業(yè)內(nèi)科研攻關(guān)的重大課題。
納米金剛石改性潤滑油在工程機械中的應(yīng)用，將會對工程機械行業(yè)起到舉足輕重的作用。納米金剛石潤滑油成本要比市售普通潤滑油增加30%左右，但它給用戶所帶來的實際經(jīng)濟效益遠遠高于其投入，它可提高輸出功率，節(jié)約燃油和潤滑油，減少磨損，大大延長設(shè)備的無故障工作時間和使用壽命，降低環(huán)境污染，從而使我國工程機械與先進國家的差距大大縮短。
2.3 在復(fù)合鍍方面的應(yīng)用
納米復(fù)合材料是納米技術(shù)在納米應(yīng)用上一個最具應(yīng)用性的方面。納米復(fù)合材料綜合了其所含各組分的所有材料的優(yōu)點，具有普通復(fù)合材料所不具備的優(yōu)異性能，是一種全新的高技術(shù)新材料，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)開發(fā)價值。
(1) 聚四氟乙烯與納米金剛石的復(fù)合
聚四氟乙烯(PTFE)具有較低的摩擦系數(shù)，良好的自潤滑性和優(yōu)良的耐腐蝕性能，是理想的減摩自潤滑材料。但是由于聚四氟乙烯表面能極低，自身耐磨性差，因此在機械工程領(lǐng)域一般都以復(fù)合材料的形式使用。目前常用玻璃纖維、石墨、二硫化鉬等無機增強組分對聚四氟乙烯進行填充改性，以提高其強度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。但是，這些填充物與聚四氟乙烯的相容性較差，常引起復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大，弱化聚四氟乙烯的減摩作用，因而制約了聚四氟乙烯材料的廣泛應(yīng)用。
喬志軍等利用納米金剛石(ND)的抗磨減摩作用和聚醚醚酮(PEEK)良好的力學(xué)和耐磨性能，通過模壓燒結(jié)法制備了ND與眾不同PEEK填充改性的PTFE基復(fù)合材料，研究復(fù)合材料的摩擦磨損性能和增強改性機理，指出：1.0%(質(zhì)量分數(shù))ND/20%(質(zhì)量分數(shù))PEEK/PTEE復(fù)合材料中D分布均勻，材料的減摩耐磨性能優(yōu)良，與純PTEE相比，該復(fù)合材料的摩擦系數(shù)下降約20%，耐磨性能提高120倍。
(2) Ni-P/納米金剛石復(fù)合涂層
Hamed Mazaheri等通過制備Ni-P/納米金剛石復(fù)合涂層，對其組織結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性能進行了研究，結(jié)果表明，金剛石納米顆粒使鍍層硬度增加，鍍層結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，金剛石含量的不同對其耐腐蝕性和硬度影響很大。
陳哲等對納米金剛石非晶態(tài)復(fù)合鍍層的晶化轉(zhuǎn)變過程及其硬度和耐腐蝕性進行研究，并與微米金剛石復(fù)合涂層的性能進行比較。結(jié)果表明，納米金剛石復(fù)合涂層中，最佳的金剛石添加量為12g/l。復(fù)合涂層為非晶態(tài)，300℃時鍍層開始晶化。隨著溫度的升高，鍍層的顯微硬度逐漸升高，到400℃達到峰值，而后因彌散相聚集長大粗化，導(dǎo)致硬度下降，復(fù)合鍍層的耐磨性也隨著硬度的變化而變化。
(3) 電刷鍍納米金剛石/鎳復(fù)合鍍層
納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)是隨著近些年納米材料與科學(xué)的興起而發(fā)展起來的，所制備的納米復(fù)合電鍍層具有優(yōu)良的性能，在機械零件表面修復(fù)、強化以及防腐方面已經(jīng)取得比較廣泛的應(yīng)用。與電鍍技術(shù)相比，電刷過程中高的過電位提高了晶核的形成速率;同時，電刷鍍筆在工件上的往復(fù)運動使電沉積成為一個斷續(xù)結(jié)晶過程，這些將有利于得到更細晶粒的鍍層。
李穎等對“電刷鍍納米金剛石/鎳復(fù)合鍍層納米晶結(jié)構(gòu)與摩擦性能關(guān)系研究”的結(jié)果表明，復(fù)合鍍層為納米晶結(jié)構(gòu)，硬度明顯比普通鎳鍍層要高。納米金剛石的引入使鍍層的晶粒超細化，同時納米金剛石所具有的核殼結(jié)構(gòu)在摩擦過程中起到耐磨減摩作用，因此復(fù)合鍍層的耐磨性能明顯高于快速鎳鍍層。
2.4 在冷陰極場發(fā)射顯示器方面的應(yīng)用
納米金剛石的變溫場發(fā)射。金剛石是近年來研究較多的一種電子場發(fā)射材料，它在某些晶向上具有負電子親合勢，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，高硬度及高熱導(dǎo)率等性質(zhì)，作為陰極材料能滿足場發(fā)射顯示器低工作電壓、高發(fā)射電流和高穩(wěn)定性等要求。
楊延寧等研究了溫度變化對沉積在鈦基上的納米金剛石場發(fā)射電流隨溫度和電場的升高而增大，場發(fā)射特性偏離了傳統(tǒng)的Fowler-Nordheim理論，場發(fā)射的電流的穩(wěn)定性基本上沒有變化。
納米金剛石是半導(dǎo)體材料，作為場發(fā)射材料溫度對其場發(fā)射的影響還未見報道，研究納米金剛石的變溫場發(fā)射有可能揭示金剛石場發(fā)射機理。同時，作為顯示器件，它的極限工作溫度范圍是一個重要的技術(shù)指標(biāo)。研究金剛石的變溫場發(fā)射也是探索納米金剛石場發(fā)射顯示器應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)。
近年來碳納米管和納米金剛石薄膜材料因突出的物理及化學(xué)性能引起了人們的廣泛關(guān)注，這些性能來源于碳不同的成鍵結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。碳納米管主要由SP2雜化的碳原子組成，具有優(yōu)異的電子傳輸性能，納米金剛石則主要由SP3雜化的碳原子組成，具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，且表面氫化的納米金剛石具有負電子親和勢，碳納米管、納米金剛石因獨特的力學(xué)性能和電學(xué)性能而成為具有應(yīng)用前景的場發(fā)射材料。
值得關(guān)注的是，納米金剛石薄膜的場發(fā)射機制不同于多晶金剛石，當(dāng)金剛石的晶粒尺寸減小到nm量級時，晶界處的石墨所形成的導(dǎo)電能力比原來增加數(shù)百倍。因此，鑒于納米金剛石和碳納米管在場發(fā)射的應(yīng)用中都存在優(yōu)缺點，設(shè)想制備出二者的復(fù)合物，揚長避短，發(fā)揮它們的協(xié)同效應(yīng)，從而獲得更加優(yōu)異的場發(fā)射性能。
徐強等利用PECVD技術(shù)，選取不同的沉積條件和基片分別合成了納米金剛石顆粒、碳納米管/納米金剛石的復(fù)合物，以及碳納米管。通過對比它們的場發(fā)射性能得出：碳納米管/納米金剛石復(fù)合物的場發(fā)射性能優(yōu)于純碳納米管和納米金剛石顆粒。
2.6 納米金剛石在光致發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用
美國羅切斯特大學(xué)研究人員首次在自由空間內(nèi)的懸浮納米金剛石上測量到光致發(fā)光所發(fā)出的光束。該實驗利用激光將納米金剛石固置在空中，然后用另外一束激光照射金剛石，使之以定頻形式發(fā)光。
光學(xué)教授Nick Vamivakas領(lǐng)導(dǎo)這個實驗項目，他說，激光勢阱技術(shù)可以使100nm納米尺寸大小的金剛石顆粒懸浮在自由空間。測量出來自金剛石缺陷的光致發(fā)光。他主持的試驗中，振動系統(tǒng)就是被懸浮的納米金剛石。
這種納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)機械諧振器可用于高敏感力傳感器，用來測量微芯片裝置中的金屬板和鏡像的微小位移，并幫助人們從納米概念上來理解摩擦力。
納米金剛石懸浮技術(shù)要比傳統(tǒng)的光學(xué)機械振蕩器優(yōu)越許多，因為這種技術(shù)不依附任何大的器件結(jié)構(gòu)，從而更容易散熱，而且敏感不穩(wěn)定的量子相干在這種系統(tǒng)中會更持久，相關(guān)的實驗效果會更好。
納米金剛石發(fā)射出的光來自光致發(fā)光效應(yīng)，金剛石內(nèi)部缺陷吸收了激光發(fā)射的光子，從而激活了整個納米金剛石懸浮系統(tǒng)并改變了自旋狀態(tài);系統(tǒng)變得松散并開始發(fā)出光子。
之前的實驗已經(jīng)證明金剛石氮空位中心是很好的且較穩(wěn)定的單光子來源，這也是研究者選擇納米金剛石作為懸浮對象的原因。
2.7 用納米金剛石制作耐磨和減磨材料
(1) 納米金剛石熱浸技術(shù)對20Cr2Ni4A鋼耐磨性的影響
滲碳技術(shù)是現(xiàn)階段公認對該材料的硬度和耐磨性最有效的方法之一。但該法對提高該材料耐磨性很有限。納米金剛石微粉熱浸滲技術(shù)作為一門新型技術(shù)，工藝方便簡單，設(shè)備要求不高，對環(huán)境和操作人員無危害，滲透深度可達20mm以上，淬硬性高，滲透時間短，滲透速度超過2mm/h，經(jīng)處理后的表層具有較高的硬度和耐磨性。
李增榮等的研究表明：20Cr2Ni4合金鋼經(jīng)納米金剛石微粉熱浸滲技術(shù)處理后其表面硬度有了明顯的提高;20Cr2Ni4合金鋼經(jīng)納米金剛石微粉熱浸滲處理后，晶粒組織有了明顯的細化并出現(xiàn)了現(xiàn)在還不知名的新相和新的鐵基合金，對提高其硬度和耐磨性有很大的作用;納米金剛石微粉熱浸滲技術(shù)可顯著提高20Cr2Ni4合金鋼的耐磨損性能，起到了減磨延壽的功效，為材料表面改性及提高易磨損零件的使用壽命提供了一條可靠的途徑。
(2) 解決易磨損件的耐磨難題
山東黃金集團金凱馳納米科技責(zé)任有限公司與北京理工大學(xué)合作開發(fā)的納米金剛石復(fù)合鍍技術(shù)已在易磨損工件上成功應(yīng)用，使工件壽命達到國際先進水平。
本技術(shù)是將納米金剛石添加在電鍍液或化學(xué)鍍液中，金屬或非金屬零件經(jīng)過鍍附后，在工件表面上形成一層納米金剛石彌散分布的金屬鍍層，可提高鍍層的耐磨性和減摩性。
應(yīng)用范圍包括：可代替電鍍硬鉻及化學(xué)鍍鎳，在各種易磨損零件上應(yīng)用;在機械工程鋼鐵易磨損件應(yīng)用;在配合偶件自潤滑減摩件上的應(yīng)用;在消減噪音上的應(yīng)用;在工模具上的應(yīng)用;在提高鋁合金件耐磨性上的應(yīng)用;在高分子材料制傳動件及摩擦偶件上也可應(yīng)用。
2.8 用于納米表面工程
納米表面工程技術(shù)作為再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)，不但可以恢復(fù)零件表面尺寸和形狀，而且可以顯著提高其表面性能，達到對零件性能升級的目的。例如，納米表面工程技術(shù)在發(fā)動機再制造、機床再制造及裝備貴重零部件、難修復(fù)零部件的應(yīng)用中，均提升了產(chǎn)品性能，解決了原來無法解決或難以解決的維修難題，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。采用納米電刷技術(shù)再制造斯太爾發(fā)動機連桿、凸輪軸、曲軸、缸套等零件，可以顯著提高零件表面性能，延長其使用壽命，并節(jié)約維修成本。
2.9 引入電化學(xué)領(lǐng)域
由于納米金剛石具有較大的比表面積，且表面具有較多的結(jié)構(gòu)缺陷，使得它無需摻雜就已經(jīng)具有較高的導(dǎo)電性?；谶@些特性，將納米金剛石引入電化學(xué)領(lǐng)域，成為電極材料，便是一項極有意義的研究課題。
相對于傳統(tǒng)的玻璃碳、熱解石墨和其它形式的電極，金剛石類電極具有三大優(yōu)勢：(1) 在水溶液和非水溶液中有很寬的電勢窗口和很低的背景電流;(2) 具有無可比擬的物理性能，包括高硬度、高空穴遷移率、高導(dǎo)熱和良好的耐幅射性、耐腐蝕性;(3) 很高的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性，沒有有機物和生物化合物的吸附，其電化學(xué)響應(yīng)在很長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。這些獨到之處使之在電化學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，具體包括電解分析、廢水處理、能量儲存和產(chǎn)生裝置(蓄電池和燃料電池)，以及電合成過程。
3.結(jié)語與展望
盡管納米金剛石的卓越性能和美好的應(yīng)用前景已為人們所共識，然而納米金剛石的應(yīng)用開發(fā)與其工業(yè)化生產(chǎn)水平無法匹配，使得理論上關(guān)于納米金剛石的卓越性能無法在實際應(yīng)用中得到發(fā)揮，這就限制了納米金剛石的應(yīng)用開發(fā)，反過來也抑制了其生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，生產(chǎn)成本和產(chǎn)能也都無法實現(xiàn)最優(yōu)化。造成這種現(xiàn)象的一個根本原因就是納米金剛石的分散問題。事實上，納米金剛石要想在已有或潛在的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮最大的性能優(yōu)勢，關(guān)鍵在于其納米級的顆粒分散。
納米金剛石雖然有許多優(yōu)點及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但是其比表面積大、比表面能高、處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定狀態(tài)，容易發(fā)生團聚，使得其作為納米粉體的優(yōu)良性能無法發(fā)揮。如前所說顆粒團聚問題沒有得到解決，這也是納米金剛石誕生20多年來一直未能大量應(yīng)用的重要原因之一。因此，如何有效地對納米金剛石進行表面處理，來改善其在介質(zhì)中的分散性，并增強其穩(wěn)定性是一個急待解決的關(guān)鍵性問題。近年來，國內(nèi)外研究人員對納米金剛石的表面處理技術(shù)也進行了許多探索。
納米金剛石兼具卓越的物理特性和非凡的納米效應(yīng)，因此具有諸多的電化學(xué)特性，使之在電化學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但同時納米金剛石的電化學(xué)活性較差，導(dǎo)電能力不強，這無疑制約了它在電化學(xué)領(lǐng)域王的發(fā)展與應(yīng)用。對納米金剛石進行表面修飾是解決該問題的有效途徑。
總之，我們對納米金剛石的分散技術(shù)、分級技術(shù)、純凈技術(shù)與表面修飾技術(shù)要引起高度重視，因為這是一項精細的、深層的、完整的系統(tǒng)工程，只有解決好這些技術(shù)問題，納米金剛石才會迎來真正意義上的大發(fā)展。
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