摘要：从分析粉碎法纳米金刚石的性质出发，讨论了粉碎法纳米金刚石的一些应用方向。
关键词：纳米金刚石；应用；综述；粉碎法；分散；复合电镀
1 粉碎法纳米金刚石规格和粒度分布
纳米金刚石不仅具有纳米材料的特性， 同时还具备金刚石的一系列优异性能。这就为纳米金刚石的广泛应用提供了更大的可能性。
采用负氧平衡炸药利用爆轰法合成的纳米金刚石尺寸分布多为1nm～ 20nm。而采用粉碎法将人造金刚石单晶进行粉碎， 获得的粉体多为10nm 以粗的单晶颗粒。我们已经开发出7 个纳米级及亚微米级规格的粉碎法纳米金刚石产品(见表1、图1～ 图4)。
图1W 0/0. 10SEM 像照片
F ig. 1SEM image photo of W 0/0. 10a
图2W 0/0. 25SEM 像照片
F ig. 2SEM image photo of W 0/0. 25
图3W 0/0. 25 粒度分布
F ig. 3Grain size dist ribution of W 0/0. 25
图4W 0. 08/0. 125 粒度分布
F ig. 4Grain size dist ribution of W 0. 08/0. 125
2 粉碎法纳米金刚石的性质
粉碎法制造的纳米金刚石粉体是具有纳米尺寸的人造金刚石单晶。同时具有纳米材料和金刚石的性能。
金刚石作为目前世界上最硬的物质。具有一系列优异的性能。如最大的硬度、高耐磨性、最大的热导率、高热流密度、高化学稳定性、高击穿电压等。粉碎法纳米金刚石粉体是一种尺寸在1nm～100nm 之间的单晶， 此尺寸位于凝聚态物质中电子波长的附近， 因而具有纳米物质的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应。本文仅就纳米的表面效应给金刚石带来的特殊性质进引讨论。
从表3 可以看出， 纳米材料的表面原子数随纳米结构尺寸的减少而急剧增多。
表面原子数的增多， 使得无序度增加， 存在着大量的悬空键， 表现出高化学活性。
金刚石纳米微粒随着尺寸变小， 使得比表面积变大。表4 为金刚石微粒尺寸与比表面积的关系。
3 粉碎法纳米金刚石的应用
粉碎法纳米金刚石用途非常之泛， 仅就在应用上已比较成熟的几个方面进行讨论。
3. 1纳米金刚石复合镀层
利用纳米金刚石粒度细的特点， 可以制作多种用途的纳米金刚石复合镀层。这种复合镀层的光洁度、粗糙度均很理想。
(1) 纳米金刚石颗粒弥散在镀层基体金属中， 形成了金刚石复合镀层， 镀层中的金刚石作为硬质点，使镀层的硬度及耐磨性显著提高。因而， 可以得到高硬度高耐磨性的镀层。
(2) 利用纳米金刚石摩擦系数小的特点， 制成纳米金刚石减摩镀层， 镀层中分散着无数个固体润滑点， 有效地降低摩擦副的摩擦系数。达到固体减摩作用， 降低了零件表面的摩损， 延长了零件的使用寿命。
(3) 金刚石是已知的材料中热导率最高的。室温下热导率可达到2000W/mK， 是铜的5 倍。可以利用这一特性， 制成散热复合镀层， 提高散热器件的散热性能。需要说明的是， 纳米金刚石在此应用上有两个突出的特点， 一是表面非常光滑美观， 二是与用非纳米金刚石相比， 可降低成本。例如0nm～ 100nm 的纳米金刚石比表面积可达100m2/g，而W 1 的金刚石微粉比表面积只有3m2/g～ 5m2/g。
(4) 随着信息产业的迅速发展， 纳米金刚石复合镀层应用于电子工业中， 可节省大量贵金属材料， 并赋于元件优异的电接触性能。这类复合镀层多用金或银为基， 能在保持良好的电接触性能的同时， 大大增强镀层的耐磨性和导热性能。
3. 2纳米金刚石作为添加剂在润滑油中的应用
纳米金刚石作为润滑油的添加剂， 不仅有抗磨减摩作用， 而且对摩擦副表面具有抛光作用和强化作用。
据文献[ 4 ]报导， 以纳米金刚石为添加剂的润滑油的优越性为：摩擦动量降低20%～ 40%；摩擦面磨损减少30%～ 40%；可使摩擦副快速磨合。
国内用平均粒径为3nm～ 6nm 的爆轰法生产的纳米金刚石作添加剂， 获得了很好的效果[ 5 ]。笔者用爆轰法合成的粒度较细的纳米金刚石(粒度小于20nm ) 和用粉碎法制造的(粒度为10nm～100nm ) 粒度较粗的纳米金刚石分别作润滑油的添加剂， 然后进行了对比实验。实验发现， 前者抗磨减摩性能好， 后者快速磨合、抛光效率高(见图5、图6)。因此， 用粉碎法纳米金刚石制成高效磨合油将有非常好的前景。
3. 3 用作IT 产品封装材料
人造金刚石受合成时间及其它诸因素的限制， 其晶体中会有一些杂质， 如Si、N、O、Fe、N i、M n、Co、Cr等， 且多以包裹体的形式存在于人造金刚石晶体中。在制造纳米金刚石的粉碎过程中， 包裹体多被破坏，这样， 金刚石晶体中的杂质含量就会大为减少， 纯度大为提高， 绝缘性也大为提高。
金刚石的禁带宽度为5. 5ev， 室温下的电阻率为1013Ω ·cm ， 具有非常高的击穿电压， 比硅(Si) 和砷化镓(GaA s) 的击穿电压高2 个数量级。在室温下， 金刚石的热导率室温下是良导体铜(Cu) 的5 倍， 热流密度可高达105W ö cm 2。其绝缘性能好， 导热性能高， 使金刚成为热沉的理想材料。在超大规模集成电路(VL S I) 及特大规模集成电路(UL S I) 以及立体化集成电路中可发挥特殊的作用， 从而大大提高集成电路的性能。目前特大集成电路的集成己达107 个元件， 散热就成为不可忽视的问题。如不加以解决， 会影响集成电路的性能及发展， 甚至导致集成电路无法正常工作。若用纳米金刚石作热沉材料， 则可以把大量元件散发的热量迅速传速出去， 从而使信息系统的性能得到极大的提高。
粉碎法纳米金刚石具备了高绝缘性(高击穿电压) 高导热率、高热流密度的品质， 是理想的IT 产品的封装材料。
3. 4 作为超精细抛光、研磨材料
粉碎法纳米金刚石可以制成抛光液、研磨液、研磨膏或研磨块， 其应用于机械加工， 可以得到超精细的加工表面。用100m n 粉碎法纳米金刚石作为抛光液、抛光磁头， 可使粗糙度可达到1nm。利用纳米金刚石抛光液已可加工出粗糙度为0. 24nm 的亚纳米表面。
3. 5 纳米金刚石的分散是应用的关键
纳米颗粒表面的大量原子悬空键使其化学活性大大提高；非常大的表面积， 使其有巨大的表面能。但是， 减少比表面积、减少表面能而发生纳米颗粒的团聚是一个自发过程， 所以说， 纳米颗粒团聚是不可避免的。在纳米颗粒分散后， 还要及时采取措施阻止纳米颗粒再次发生团聚。加入表面活性剂能够增大颗粒之间的距离， 减少范德华力的相互作用， 从而稳定整个分散体系， 所以选择合适的分散剂已成为一个研究热点。对于纳米金刚石而言， 合成出性能优异的分散剂， 设计出高效分散方法， 提高分散后纳米颗粒的稳定性和均匀性， 成为纳米金刚石应用的关键。
4 结束语
纳米金刚石拓宽了传统意义上的金刚石的应用领域， 但毕竟纳米金刚石的应用才起步， 随着时间的推移， 必将结出更为丰硕的果实。随着对纳米金刚石小尺寸效应、量子效应及宏观量子隧道效应的深入研究， 纳米金刚石的应用前景更为广阔。
参考文献：
[ 1 ]郝兆印等. 人工合成金刚石[M ]. 吉林大学出版社， 1996.
[ 2 ]徐滨土. 纳米表面工程[M ]. 化学工业出版社， 2004.
[ 3 ]陈亚芳. 现代实用电镀技术[M ]. 国防工业出版社， 2003.
[ 4 ]王光祖. 纳米金刚石的应用[J ]. 中国超硬材料， 2003.
[ 5 ]张书达. 超分散金刚石在润滑油中的奇特功效[C ]. 第四届郑州国际超硬材料及制品研讨会议文集， 2003.
[ 6 ]卢炳秀， 丁忠修. 粉碎法制造纳米金刚石的几个问题[J ]. 中国超硬材料， 2003.(end)
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