|
| |
| 拓展應用技術領域，促進納米金剛石發展 |
| 來源：中國粉體技術網 更新時間：2014-12-08 10:17:23 瀏覽次數： |
|
| |
（中國粉體技術網/班建偉）納米金剛石應用領域在不斷拓寬，應用技術水平在不斷提高，并展示出其誘人的應用前景。但是，應強調的是，在未來的日子里，我們對納米金剛石的分散技術、分級技術、純凈技術與表面修飾技術要引起高度重視，因為這是一項精細的、深層的、完整的系統工程，只有解決好這些技術問題，納米金剛石才會迎來真正意義的大發展。
1.引言
納米金剛石早在上個世紀60年代，就已經被原蘇聯的科學家開發出來，美國隨后也開發成功了，卻因為沒有工業化量產，一直未能引起人們的關注。直到2000年以后，隨著爆轟技術的成熟，俄羅斯、中國、日本和歐盟都相繼實現了納米金剛石的工業化生產，再加上納米金剛石具有單晶金剛石的所有優點和納米材料大的比表面所帶來的納米效應，使得這種材料超乎尋常的優異性能逐漸為人們所認識，如超高的表面硬度和力學強度、優異的電絕緣性、最高的導熱系數、優越的化學穩定性和生物相容性。正是這些優異的性能，使得納米金剛石在高強、耐磨復合材料、高精密研磨拋光、納米流體、納米潤滑和生物醫藥等領域具有無以替代的應用前景。
材料是基礎，特性是內因，應用是動力。材料特性的多樣性，決定著應用領域的多樣性。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。綜合現有關于納米金剛石應用基礎的研究結果可知，納米金剛石的應用性能，主要取決于三個關鍵因素：金剛石的顆粒尺寸、碳原子雜化狀態與表面化學特性。本文僅著重講述有關納米金剛石單晶與多晶方面的應用技術問題。
2.納米金剛石的應用
2.1 在計算機磁頭拋光中的應用
隨著計算機工業的發展，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使用的微米級拋光液已不能適應其發展，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的致命危害。
2.2 納米金剛石潤滑油在工程機械中的應用
我國的工程機械使用壽命和可靠度只及發達國家的1/2～1/3，究其原因，80%是由于用油不當、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，已成為行業內科研攻關的重大課題。
納米金剛石改性潤滑油在工程機械中的應用，將會對工程機械行業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濟效益遠遠高于其投入，它可提高輸出功率，節約燃油和潤滑油，減少磨損，大大延長設備的無故障工作時間和使用壽命，降低環境污染，從而使我國工程機械與先進國家的差距大大縮短。
2.3 在復合鍍方面的應用
納米復合材料是納米技術在納米應用上一個最具應用性的方面。納米復合材料綜合了其所含各組分的所有材料的優點，具有普通復合材料所不具備的優異性能，是一種全新的高技術新材料，因此，具有廣闊的應用前景和巨大的商業開發價值。
(1) 聚四氟乙烯與納米金剛石的復合
聚四氟乙烯(PTFE)具有較低的摩擦系數，良好的自潤滑性和優良的耐腐蝕性能，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，因此在機械工程領域一般都以復合材料的形式使用。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，常引起復合材料的摩擦系數增大，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)良好的力學和耐磨性能，通過模壓燒結法制備了ND與眾不同PEEK填充改性的PTFE基復合材料，研究復合材料的摩擦磨損性能和增強改性機理，指出：1.0%(質量分數)ND/20%(質量分數)PEEK/PTEE復合材料中D分布均勻，材料的減摩耐磨性能優良，與純PTEE相比，該復合材料的摩擦系數下降約20%，耐磨性能提高120倍。
(2) Ni-P/納米金剛石復合涂層
Hamed Mazaheri等通過制備Ni-P/納米金剛石復合涂層，對其組織結構及耐腐蝕性能進行了研究，結果表明，金剛石納米顆粒使鍍層硬度增加，鍍層結構并未發生變化，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復合鍍層的晶化轉變過程及其硬度和耐腐蝕性進行研究，并與微米金剛石復合涂層的性能進行比較。結果表明，納米金剛石復合涂層中，最佳的金剛石添加量為12g/l。復合涂層為非晶態，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，導致硬度下降，復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/鎳復合鍍層
納米復合電刷鍍技術是隨著近些年納米材料與科學的興起而發展起來的，所制備的納米復合電鍍層具有優良的性能，在機械零件表面修復、強化以及防腐方面已經取得比較廣泛的應用。與電鍍技術相比，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運動使電沉積成為一個斷續結晶過程，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/鎳復合鍍層納米晶結構與摩擦性能關系研究”的結果表明，復合鍍層為納米晶結構，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構在摩擦過程中起到耐磨減摩作用，因此復合鍍層的耐磨性能明顯高于快速鎳鍍層。
2.4 在冷陰極場發射顯示器方面的應用
納米金剛石的變溫場發射。金剛石是近年來研究較多的一種電子場發射材料，它在某些晶向上具有負電子親合勢，有良好的化學穩定性，高硬度及高熱導率等性質，作為陰極材料能滿足場發射顯示器低工作電壓、高發射電流和高穩定性等要求。
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射電流隨溫度和電場的升高而增大，場發射特性偏離了傳統的Fowler-Nordheim理論，場發射的電流的穩定性基本上沒有變化。
納米金剛石是半導體材料，作為場發射材料溫度對其場發射的影響還未見報道，研究納米金剛石的變溫場發射有可能揭示金剛石場發射機理。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指標。研究金剛石的變溫場發射也是探索納米金剛石場發射顯示器應用領域的基礎。
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性能引起了人們的廣泛關注，這些性能來源于碳不同的成鍵結構和微觀結構。碳納米管主要由SP2雜化的碳原子組成，具有優異的電子傳輸性能，納米金剛石則主要由SP3雜化的碳原子組成，具有高硬度、高化學穩定性，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性能和電學性能而成為具有應用前景的場發射材料。
值得關注的是，納米金剛石薄膜的場發射機制不同于多晶金剛石，當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電能力比原來增加數百倍。因此，鑒于納米金剛石和碳納米管在場發射的應用中都存在優缺點，設想制備出二者的復合物，揚長避短，發揮它們的協同效應，從而獲得更加優異的場發射性能。
徐強等利用PECVD技術，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/納米金剛石的復合物，以及碳納米管。通過對比它們的場發射性能得出：碳納米管/納米金剛石復合物的場發射性能優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光領域的應用
美國羅切斯特大學研究人員首次在自由空間內的懸浮納米金剛石上測量到光致發光所發出的光束。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，使之以定頻形式發光。
光學教授Nick Vamivakas領導這個實驗項目，他說，激光勢阱技術可以使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光。他主持的試驗中，振動系統就是被懸浮的納米金剛石。
這種納米結構的光學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要比傳統的光學機械振蕩器優越許多，因為這種技術不依附任何大的器件結構，從而更容易散熱，而且敏感不穩定的量子相干在這種系統中會更持久，相關的實驗效果會更好。
納米金剛石發射出的光來自光致發光效應，金剛石內部缺陷吸收了激光發射的光子，從而激活了整個納米金剛石懸浮系統并改變了自旋狀態;系統變得松散并開始發出光子。
之前的實驗已經證明金剛石氮空位中心是很好的且較穩定的單光子來源，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對20Cr2Ni4A鋼耐磨性的影響
滲碳技術是現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作為一門新型技術，工藝方便簡單，設備要求不高，對環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合金鋼經納米金剛石微粉熱浸滲技術處理后其表面硬度有了明顯的提高;20Cr2Ni4合金鋼經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了現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任有限公司與北京理工大學合作開發的納米金剛石復合鍍技術已在易磨損工件上成功應用，使工件壽命達到國際先進水平。
本技術是將納米金剛石添加在電鍍液或化學鍍液中，金屬或非金屬零件經過鍍附后，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。
應用范圍包括：可代替電鍍硬鉻及化學鍍鎳，在各種易磨損零件上應用;在機械工程鋼鐵易磨損件應用;在配合偶件自潤滑減摩件上的應用;在消減噪音上的應用;在工模具上的應用;在提高鋁合金件耐磨性上的應用;在高分子材料制傳動件及摩擦偶件上也可應用。
2.8 用于納米表面工程
納米表面工程技術作為再制造工程的關鍵技術，不但可以恢復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，納米表面工程技術在發動機再制造、機床再制造及裝備貴重零部件、難修復零部件的應用中，均提升了產品性能，解決了原來無法解決或難以解決的維修難題，取得了良好的經濟效益和社會效益。采用納米電刷技術再制造斯太爾發動機連桿、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，并節約維修成本。
2.9 引入電化學領域
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構缺陷，使得它無需摻雜就已經具有較高的導電性?；谶@些特性，將納米金剛石引入電化學領域，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、高導熱和良好的耐幅射性、耐腐蝕性;(3) 很高的化學和電化學穩定性，沒有有機物和生物化合物的吸附，其電化學響應在很長時間內保持穩定。這些獨到之處使之在電化學領域有著廣闊的應用前景，具體包括電解分析、廢水處理、能量儲存和產生裝置(蓄電池和燃料電池)，以及電合成過程。
3.結語與展望
盡管納米金剛石的卓越性能和美好的應用前景已為人們所共識，然而納米金剛石的應用開發與其工業化生產水平無法匹配，使得理論上關于納米金剛石的卓越性能無法在實際應用中得到發揮，這就限制了納米金剛石的應用開發，反過來也抑制了其生產技術的創新和發展，生產成本和產能也都無法實現最優化。造成這種現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用領域發揮最大的性能優勢，關鍵在于其納米級的顆粒分散。
納米金剛石雖然有許多優點及廣泛的應用領域，但是其比表面積大、比表面能高、處于熱力學的不穩定狀態，容易發生團聚，使得其作為納米粉體的優良性能無法發揮。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，來改善其在介質中的分散性，并增強其穩定性是一個急待解決的關鍵性問題。近年來，國內外研究人員對納米金剛石的表面處理技術也進行了許多探索。
納米金剛石兼具卓越的物理特性和非凡的納米效應，因此具有諸多的電化學特性，使之在電化學領域具有廣闊的應用前景。但同時納米金剛石的電化學活性較差，導電能力不強，這無疑制約了它在電化學領域王的發展與應用。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、分級技術、純凈技術與表面修飾技術要引起高度重視，因為這是一項精細的、深層的、完整的系統工程，只有解決好這些技術問題，納米金剛石才會迎來真正意義上的大發展。
?歡迎進入【粉體論壇】
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
