淺析納米金剛石在功能材料領(lǐng)域中的應(yīng)用論文
新材料的研發(fā)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域之一，而納米材料又是其中的佼佼者。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)推測(cè)，2010年全世界納米材料市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)2000億美元。隨著國(guó)際科技進(jìn)步及工業(yè)向高精尖發(fā)展，納米技術(shù)已成各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。其中，碳納米材料由于其獨(dú)特的理化性質(zhì)，近年來(lái)在納米科學(xué)及納米技術(shù)的發(fā)展中得到了廣泛的關(guān)注。其應(yīng)用范圍從起初的涂料、潤(rùn)滑油、聚合物添加劑、電子器件、傳感器和電化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前已有的研究表明，納米金剛石可用于生物標(biāo)簽、生物成像、藥物傳輸、基因治療、癌癥診斷與治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。納米金剛石指的是粒徑在1～100nm的金剛石晶粒存在形態(tài)，其兼有金剛石、納米材料的特性，例如高硬度、高耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低表面粗糙度、大的比表面積、高的表面活性等。根據(jù)其存在形式，納米金剛石可以分為單分散的納米金剛石粒子和納米金剛石多晶兩類。納米金剛石粒子可以看作由塊材金剛石切割出的納米尺寸的金剛石團(tuán)簇;納米金剛石聚晶有聚晶顆粒和膜兩種存在形式。納米金剛石粉的比表面積為300～400m2/g，還有大量的結(jié)構(gòu)缺陷和表面官能團(tuán)等，這些性能使得其在開發(fā)具有特殊性能的新材料方面有較大的潛力。
以上優(yōu)異性能使得納米金剛石除作為傳統(tǒng)機(jī)械加工的精密拋光及潤(rùn)滑用材料以外，在化工催化及生物醫(yī)學(xué)上展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。但納米金剛石的團(tuán)聚及除雜問題是制約納米金剛石使用的兩大難題。
1 納米金剛石的制備和特性
從空間尺度分類，納米金剛石分為納米金剛石膜、一維金剛石納米棒和二維金剛石納米片，三維納米金剛石聚晶顆粒以及零維納米金剛石單晶顆粒。納米金剛石薄膜是利用CVD 方法生長(zhǎng)出的納米級(jí)晶粒組成的金剛石膜，其制備參數(shù)與傳統(tǒng)微米尺度金剛石薄膜不同，是通過(guò)金剛石的二次成核，獲得致密的、晶粒尺寸為納米級(jí)的金剛石薄膜。晶粒尺寸小于10nm的金剛石膜又稱為超納米金剛石膜，這種薄膜光滑、致密、無(wú)孔，是制備生物傳感器以及生物醫(yī)學(xué)儀器的關(guān)鍵材料。一維金剛石納米棒或金剛石納米纖維可以通過(guò)氫等離子體長(zhǎng)時(shí)間處理碳納米管來(lái)獲得。二維金剛石納米片可在Au–Ge合金和納米金剛石膜基底上通過(guò)微波等離子體CVD 法制備，其厚度約10nm。金剛石納米顆粒的合成方法主要有靜壓合成、金剛石單晶粉磨、爆轟法三種，都已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。爆轟法合成納米金剛石生產(chǎn)效率相對(duì)較高，其原理是通過(guò)爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓將爆炸體系的碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸�。用該方法制備得到熱力學(xué)穩(wěn)定的含納米金剛石的黑粉。黑粉經(jīng)特殊工藝處理后得灰色的納米金剛石粉，其回收率約為所用炸藥質(zhì)量的8%～10%，金剛石顆粒粒徑為5～10nm，經(jīng)過(guò)化學(xué)提純可得到純度約95%～97%的DND。
對(duì)于平均粒度尺寸5nm 的納米金剛石顆粒，表面碳原子數(shù)(N 表面)與顆粒的總碳原子數(shù)(N 總)之比約為15%，導(dǎo)致金剛石表面碳原子空間對(duì)稱性的破壞以及晶格間距的變化。納米金剛石的性質(zhì)與大尺寸金剛石單晶不同。根據(jù)高分辨透射電子顯微鏡觀察，納米金剛石顆粒內(nèi)部核由金剛石結(jié)構(gòu)碳原子規(guī)則排列，而在顆粒外殼區(qū)域?yàn)轭惤饎偸蝾愂臒o(wú)序結(jié)構(gòu)。
2 納米金剛石的應(yīng)用
納米金剛石在強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、納米效應(yīng)、重金屬雜質(zhì)、生物相容性等方面具有的獨(dú)特性能，使其在精密拋光和潤(rùn)滑、化工催化、復(fù)合鍍層、高性能金屬基復(fù)合材料、化學(xué)分析及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
2.1 超精密拋光和潤(rùn)滑
納米金剛石拋光膏和懸浮液用于電子、無(wú)線電、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、寶石等行業(yè)，對(duì)材料進(jìn)行精密拋光。其優(yōu)點(diǎn)是可在任何固體上獲得鏡面效果，表面粗糙度值Ra可達(dá)2～8nm。爆轟法合成的納米金剛石粒徑分布很窄(2～20nm)，用分布很窄的納米粒子作磨料進(jìn)行拋光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra為0.1～1.0nm的超光滑表面。潤(rùn)滑油中加入納米金剛石可提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置工作壽命，節(jié)約燃油機(jī)油，降低表面磨損等。納米金剛石具有強(qiáng)共價(jià)鍵和強(qiáng)烈的親油疏水特性，可以在各類潤(rùn)滑油中形成穩(wěn)定分散的膠體體系，從而將納米金剛石粒子引入摩擦副之間，起到顯著的減摩耐磨作用。同時(shí)，由于納米金剛石良好的抗壓性能和修復(fù)功能，可以充分發(fā)揮其協(xié)同增效作用和潤(rùn)滑油添加劑之間的相互作用，研制出耐磨性能優(yōu)異的復(fù)合潤(rùn)滑油和添加劑。油中加入納米金剛石后，滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，摩擦副表面逐漸改性，形成又硬又滑的金屬碳化物，其減摩抗磨效果是用有機(jī)化工方法無(wú)法比擬的。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表明：在EQ6100–1型汽油機(jī)上使用納米金剛石發(fā)動(dòng)機(jī)油后，輸出功率平均提高4.2%，最高可達(dá)6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%，最高可達(dá)10.3%;氣缸壓力提高28.9%;怠速轉(zhuǎn)速提高10.2%;發(fā)動(dòng)機(jī)怠速碳?xì)浠锱欧沤档?0%;氮氧化物排放降低20.5%�？傊l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均有較大改善;氣缸密封性提高，且具有較好的減摩效果;對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)具有免拆卸清洗功能;冬季更易點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用周期成倍延長(zhǎng)。納米金剛石磨合油可使發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合時(shí)間縮短30%～50%，汽缸壓力提高7%～10%，缸套硬度增加10%～20%，粗糙度明顯改善，磨合油使用周期大大延長(zhǎng)。目前，納米金剛石在該領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，除了上述在發(fā)動(dòng)機(jī)油中可明顯減少尾氣排放外，還可有效地過(guò)濾重金屬和放射性物質(zhì)。在溶液中，1g納米金剛石可吸附50g Ni。潤(rùn)滑油使用周期延長(zhǎng)不僅提高了用戶的經(jīng)濟(jì)效益，其本身就是對(duì)環(huán)保的巨大貢獻(xiàn)。
2.2 工業(yè)催化
爆轟法合成的`納米金剛石比表面積大，具有大量的結(jié)構(gòu)缺陷，化學(xué)活性高，適于用作催化劑載體，提高催化效率。石曉琴等研究了銅/納米金剛石復(fù)合粒子對(duì)高氯酸銨熱分解的催化作用，結(jié)果表明：銅/納米金剛石復(fù)合粒子較單一的納米銅催化效果更好。
2.3 增強(qiáng)橡膠和樹脂
納米金剛石兼具納米粒子和超硬材料的雙重特性，利用這一特性可將其用來(lái)制造增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)樹脂，該應(yīng)用在提高材料熱導(dǎo)率，聚合物降解溫度、強(qiáng)度和耐磨性等方面作用明顯，使納米金剛石在新型復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的開發(fā)前景。目前，橡膠所用的增強(qiáng)劑多為炭黑，如果用爆轟法合成的納米金剛石作為增強(qiáng)劑，能使其強(qiáng)度提高1～4倍，明顯改善其耐磨性和密封性。納米金剛石增強(qiáng)聚酰亞胺可以使其降解溫度提高30℃以上，同時(shí)提高其熱導(dǎo)率和抗老化能力。
2.4 納米金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料
目前，研究較多的增強(qiáng)型金屬材料是納米金剛石復(fù)合鍍層和彌散強(qiáng)化型金屬材料。納米復(fù)合鍍技術(shù)是在電解質(zhì)溶液中加入不溶性納米顆粒，使金屬離子被還原的同時(shí)，將納米顆粒彌散分布于金屬鍍層的方法。復(fù)合鍍層能有效提高鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，納米金剛石復(fù)合鍍層具有超硬、高耐磨、耐熱防腐的性能，可用于金屬表面和橡膠、塑料、玻璃等表面的涂覆。納米復(fù)合鍍基體主要有鎳、銅、鈷等，含納米金剛石的復(fù)合鍍鎳層用作磁盤或磁頭耐磨保護(hù)層與普通鍍層相比，其硬度增加了50%，耐磨性能增加的更顯著。王立平等利用直流電沉積技術(shù)制備了納米金剛石增強(qiáng)鎳基復(fù)合鍍層，研究發(fā)現(xiàn)：微米鎳基質(zhì)中引入納米金剛石后，復(fù)合鍍層的硬度提高了一倍以上。許向陽(yáng)等利用納米金剛石作為增強(qiáng)相制備的金屬基復(fù)合材料耐磨性明顯提高，研究發(fā)現(xiàn)：采用粉末冶金法，經(jīng)冷壓、燒結(jié)制備的ND/Al復(fù)合材料，當(dāng)載荷為0.005N時(shí)，摩擦系數(shù)僅為0.005，這一數(shù)值低于純金剛石和石墨的最小摩擦系數(shù)。相英偉等用化學(xué)沉淀–熱壓成型方法制備了納米金剛石增強(qiáng)Cu10Sn基復(fù)合材料，材料的摩擦系數(shù)降低50%以上。加有納米金剛石的塑料膜極易附著在金屬上而不需要加黏結(jié)劑。加入納米金剛石的硅膠強(qiáng)度可提高1～3倍。在Cr鍍液中加入納米金剛石，可使沖模壽命提高10倍以上。原鍍金鍍層厚4μm，加入納米金剛石后，可使鍍層減薄至2μm且保持鍍層完整，其耐磨性還大幅提高，鍍后表面色澤與不加納米金剛石的一樣。原鍍1m2需80g金，加納米金剛石后僅需40g金，可節(jié)省1萬(wàn)多元，納米金剛石的消耗量?jī)H需0.4g
3 結(jié)語(yǔ)
由于合成工藝的差別，不同來(lái)源的金剛石納米顆粒的結(jié)構(gòu)性能和表面性能差異明顯，其中，一般靜壓?jiǎn)尉Ъ{米顆粒結(jié)構(gòu)致密，而爆轟單晶團(tuán)簇脆性相對(duì)較大，爆轟金剛石納米顆粒表面具有相對(duì)更為豐富的活性基團(tuán)等。因此，不同納米金剛石顆粒的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該有所不同，具體分析和結(jié)合應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)需求及金剛石的性能特點(diǎn)，采用不同的金剛石納米顆粒及其加工改性產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)更有利于金剛石應(yīng)用。
目前，納米金剛石功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)沒有得到根本解決，例如在生物制藥、環(huán)境保護(hù)等方面應(yīng)用技術(shù)還處于探索階段，這就限制了納米金剛石生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)能提升。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)良的納米金剛石在功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)快速推廣，這將會(huì)推動(dòng)超硬材料行業(yè)的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)效益的提高
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