|
| |
| 拓展應用技術(shù)領(lǐng)域，促進(jìn)納米金剛石發(fā)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-12-08 10:17:23 瀏覽次數： |
|
| |
（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）納米金剛石應用領(lǐng)域在不斷拓寬，應用技術(shù)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(lái)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、完整的系統工程，只有解決好這些技術(shù)問(wèn)題，納米金剛石才會(huì )迎來(lái)真正意義的大發(fā)展。
1.引言
納米金剛石早在上個(gè)世紀60年代，就已經(jīng)被原蘇聯(lián)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出來(lái)，美國隨后也開(kāi)發(fā)成功了，卻因為沒(méi)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(zhù)爆轟技術(shù)的成熟，俄羅斯、中國、日本和歐盟都相繼實(shí)現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(diǎn)和納米材料大的比表面所帶來(lái)的納米效應，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、最高的導熱系數、優(yōu)越的化學(xué)穩定性和生物相容性。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(lǐng)域具有無(wú)以替代的應用前景。
材料是基礎，特性是內因，應用是動(dòng)力。材料特性的多樣性，決定著(zhù)應用領(lǐng)域的多樣性。我們所說(shuō)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(guān)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(gè)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(zhù)重講述有關(guān)納米金剛石單晶與多晶方面的應用技術(shù)問(wèn)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(zhù)計算機工業(yè)的發(fā)展，特別是隨著(zhù)計算機硬磁盤(pán)密度的迅速提高，磁頭/磁盤(pán)間隙已趨于10nm以下，磁頭和磁盤(pán)的表面粗糙度、劃痕和雜質(zhì)顆粒會(huì )對計算機磁盤(pán)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(guān)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(kāi)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(jiàn)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、潤滑不佳，造成零配件過(guò)度磨損，從而使整機過(guò)早報廢。如何提高工程機械的可靠度并延長(cháng)它的使用壽命，已成為行業(yè)內科研攻關(guān)的重大課題。
納米金剛石改性潤滑油在工程機械中的應用，將會(huì )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(hù)所帶來(lái)的實(shí)際經(jīng)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(cháng)設備的無(wú)故障工作時(shí)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(jìn)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(shù)在納米應用上一個(gè)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(yōu)點(diǎn)，具有普通復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，具有廣闊的應用前景和巨大的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)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(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)域一般都以復合材料的形式使用。目前常用玻璃纖維、石墨、二硫化鉬等無(wú)機增強組分對聚四氟乙烯進(jìn)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(xué)和耐磨性能，通過(guò)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(zhì)量分數)ND/20%(質(zhì)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(yōu)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(guò)制備N(xiāo)i-P/納米金剛石復合涂層，對其組織結構及耐腐蝕性能進(jìn)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(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)復合鍍層的晶化轉變過(guò)程及其硬度和耐腐蝕性進(jìn)行研究，并與微米金剛石復合涂層的性能進(jìn)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(tài)，300℃時(shí)鍍層開(kāi)始晶化。隨著(zhù)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(cháng)大粗化，導致硬度下降，復合鍍層的耐磨性也隨著(zhù)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(shù)是隨著(zhù)近些年納米材料與科學(xué)的興起而發(fā)展起來(lái)的，所制備的納米復合電鍍層具有優(yōu)良的性能，在機械零件表面修復、強化以及防腐方面已經(jīng)取得比較廣泛的應用。與電鍍技術(shù)相比，電刷過(guò)程中高的過(guò)電位提高了晶核的形成速率;同時(shí)，電刷鍍筆在工件上的往復運動(dòng)使電沉積成為一個(gè)斷續結晶過(guò)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(guān)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(shí)納米金剛石所具有的核殼結構在摩擦過(guò)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(chǎng)發(fā)射顯示器方面的應用
納米金剛石的變溫場(chǎng)發(fā)射。金剛石是近年來(lái)研究較多的一種電子場(chǎng)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)穩定性，高硬度及高熱導率等性質(zhì)，作為陰極材料能滿(mǎn)足場(chǎng)發(fā)射顯示器低工作電壓、高發(fā)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(chǎng)發(fā)射電流隨溫度和電場(chǎng)的升高而增大，場(chǎng)發(fā)射特性偏離了傳統的Fowler-Nordheim理論，場(chǎng)發(fā)射的電流的穩定性基本上沒(méi)有變化。
納米金剛石是半導體材料，作為場(chǎng)發(fā)射材料溫度對其場(chǎng)發(fā)射的影響還未見(jiàn)報道，研究納米金剛石的變溫場(chǎng)發(fā)射有可能揭示金剛石場(chǎng)發(fā)射機理。同時(shí)，作為顯示器件，它的極限工作溫度范圍是一個(gè)重要的技術(shù)指標。研究金剛石的變溫場(chǎng)發(fā)射也是探索納米金剛石場(chǎng)發(fā)射顯示器應用領(lǐng)域的基礎。
近年來(lái)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(lái)源于碳不同的成鍵結構和微觀(guān)結構。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)性能而成為具有應用前景的場(chǎng)發(fā)射材料。
值得關(guān)注的是，納米金剛石薄膜的場(chǎng)發(fā)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(shí)，晶界處的石墨所形成的導電能力比原來(lái)增加數百倍。因此，鑒于納米金剛石和碳納米管在場(chǎng)發(fā)射的應用中都存在優(yōu)缺點(diǎn)，設想制備出二者的復合物，揚長(cháng)避短，發(fā)揮它們的協(xié)同效應，從而獲得更加優(yōu)異的場(chǎng)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/納米金剛石的復合物，以及碳納米管。通過(guò)對比它們的場(chǎng)發(fā)射性能得出：碳納米管/納米金剛石復合物的場(chǎng)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)域的應用
美國羅切斯特大學(xué)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(fā)光所發(fā)出的光束。該實(shí)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)導這個(gè)實(shí)驗項目，他說(shuō)，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(lái)自金剛石缺陷的光致發(fā)光。他主持的試驗中，振動(dòng)系統就是被懸浮的納米金剛石。
這種納米結構的光學(xué)機械諧振器可用于高敏感力傳感器，用來(lái)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(lái)理解摩擦力。
納米金剛石懸浮技術(shù)要比傳統的光學(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(huì )更持久，相關(guān)的實(shí)驗效果會(huì )更好。
納米金剛石發(fā)射出的光來(lái)自光致發(fā)光效應，金剛石內部缺陷吸收了激光發(fā)射的光子，從而激活了整個(gè)納米金剛石懸浮系統并改變了自旋狀態(tài);系統變得松散并開(kāi)始發(fā)出光子。
之前的實(shí)驗已經(jīng)證明金剛石氮空位中心是很好的且較穩定的單光子來(lái)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(mén)新型技術(shù)，工藝方便簡(jiǎn)單，設備要求不高，對環(huán)境和操作人員無(wú)危害，滲透深度可達20mm以上，淬硬性高，滲透時(shí)間短，滲透速度超過(guò)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(shù)可顯著(zhù)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(xué)合作開(kāi)發(fā)的納米金剛石復合鍍技術(shù)已在易磨損工件上成功應用，使工件壽命達到國際先進(jìn)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(guò)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(xué)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(dòng)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(shù)作為再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)，不但可以恢復零件表面尺寸和形狀，而且可以顯著(zhù)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(dòng)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(chǎn)品性能，解決了原來(lái)無(wú)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(huì )效益。采用納米電刷技術(shù)再制造斯太爾發(fā)動(dòng)機連桿、凸輪軸、曲軸、缸套等零件，可以顯著(zhù)提高零件表面性能，延長(cháng)其使用壽命，并節約維修成本。
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構缺陷，使得它無(wú)需摻雜就已經(jīng)具有較高的導電性?；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。
相對于傳統的玻璃碳、熱解石墨和其它形式的電極，金剛石類(lèi)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(wú)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(xué)和電化學(xué)穩定性，沒(méi)有有機物和生物化合物的吸附，其電化學(xué)響應在很長(cháng)時(shí)間內保持穩定。這些獨到之處使之在電化學(xué)領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景，具體包括電解分析、廢水處理、能量?jì)Υ婧彤a(chǎn)生裝置(蓄電池和燃料電池)，以及電合成過(guò)程。
3.結語(yǔ)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(kāi)發(fā)與其工業(yè)化生產(chǎn)水平無(wú)法匹配，使得理論上關(guān)于納米金剛石的卓越性能無(wú)法在實(shí)際應用中得到發(fā)揮，這就限制了納米金剛石的應用開(kāi)發(fā)，反過(guò)來(lái)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(wú)法實(shí)現最優(yōu)化。造成這種現象的一個(gè)根本原因就是納米金剛石的分散問(wèn)題。事實(shí)上，納米金剛石要想在已有或潛在的應用領(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(diǎn)及廣泛的應用領(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(wú)法發(fā)揮。如前所說(shuō)顆粒團聚問(wèn)題沒(méi)有得到解決，這也是納米金剛石誕生20多年來(lái)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(jìn)行表面處理，來(lái)改善其在介質(zhì)中的分散性，并增強其穩定性是一個(gè)急待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。近年來(lái)，國內外研究人員對納米金剛石的表面處理技術(shù)也進(jìn)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(xué)特性，使之在電化學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。但同時(shí)納米金剛石的電化學(xué)活性較差，導電能力不強，這無(wú)疑制約了它在電化學(xué)領(lǐng)域王的發(fā)展與應用。對納米金剛石進(jìn)行表面修飾是解決該問(wèn)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、完整的系統工程，只有解決好這些技術(shù)問(wèn)題，納米金剛石才會(huì )迎來(lái)真正意義上的大發(fā)展。
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
