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纳米材料/工业陶瓷 |
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纳米金刚石的应用 |
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作者：王光祖 张运生 郭留希 |
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摘要：纳米金刚石不仅具有金刚石所固有优异特性，而且还具有纳米材料所拥有的奇异性能。正是这些综合技术特性，使得它在传统的和新的技术领域中得到应用，并初见成效，本文从超精抛光、润滑、复合镀、磁性录音系统和医疗等方面的应用做了扼要的叙述，指出，纳米金刚石颗粒具有球形和准球形的特点，使得摩擦表面形成滚珠轴承效应，而表现出良好的润滑性，从而避免于摩现象的发生，而对一些主要因接触疲劳或高温磨损而失效的工件，纳米金刚石金属的复合涂层，则具有明显的优越性。
关键词：纳米金刚石；抛光；润滑；复合镀；医疗
由于利用负氧平衡炸药轰合成所得到的纳米量级的金刚石，不但具有金刚石所固有的综合优异性能，而且还具有纳米材料的奇异特性。因此，受到广大工程技术专家的关注，特别是探讨其在不同技术领域中的应用。本文将对纳米金刚石在一些领域中应用所取得的进展与成效做一概述。以展示其为传统技术水平提升所起的重要作用和潜在的美好前景[1]。
纳米金刚石是一种颗粒尺寸和形状异常的工业金刚石，这类金刚石的颗粒尺寸在0. 5～10nm 之间，平均尺寸约4～5nm ，大部分颗粒尺寸在2～8nm 之间。[2 ]
查明，在黑粉表面存在一个宽光谱范围的化学官能团，这为扩大在其表面发生化学反应的可能性，从而有利于与润滑油、聚四氟乙烯(PTFE) 和橡胶等材料的结合。
图1 颗粒的尺寸分布(典型的)
图2 颗粒区域尺寸的大概范围
鉴于纳米金刚石具有独特的圆形颗粒，使其不但具备金刚石的硬度和耐磨性，还具有超润滑的性能。
因此，在抛光、润滑、镀附等技术领域得到应用，并已初见成效。
1 超精抛光
抛光是金刚石应用的传统领域，即使在今天，抛光，包括超精磨仍是仪表和机械制造工艺过程中的一个最重要环节。可是，目前常用的磨料尺寸均大于0. 1μm(100nm) ，纳米金刚石不仅硬度高，而且颗粒尺寸比最好的磨料要小于一个量级，且碳表面极易受化学改变性的影响，能和任何极性介质兼容，这种特点使纳米金刚石颗粒有可能在载体中均匀分布，因此，纳米金刚石颗粒被视为超精抛光的新一代理想磨料，表2 中列出了不同硬度和弹性材料的抛光结果。
值得指出的是，含有纳米金刚石的抛光系统具有以下优越性：
(1) 超细尺寸的纳米金刚石能确保表面粗糙度的最小值和抛光系统胶体的稳定性；
(2) 纳米金刚石的化学稳定性，在化学上可以用于抛光系统的活性添加剂和抛光系统的还原；
(3) 降低抛光表面材料的分量， 减少材料的损耗；
(4) 由于纳米金刚石的离子交换和吸附活性，可以减小其表面的离子和分子产物的活动性；
(5) 纳米金刚石团聚体的团聚结构有利于悬浮的抛光系统中聚结的调节作用，且无毒；
(6) 含纳米金刚石的抛光系统，可以提高抛光产品的质量和竞争的能力，以确保难加工材料抛光的加工性。
2 润滑
润滑与机械设备的运转息息相关，有人形象地把润滑油比喻为机械设备的血液，可以说失去了润滑，就没有机械设备的存在。
高效合理的润滑技术是保证和改进机械设备节能、高效、长期正常运转的基本措施，是机械运输的命脉，是为国民经济发展和人民生活福利服务的应用科学。没有高效合理的润滑技术就没有先进的机械运转，也就不可能有先进的生产和经济繁荣。因此，各工业国家都十分重视先进合理的润滑技术的研究与推广应用。
目前，全世界机械能源有效利用平均只有30 %左右，据德国洛格甫尔教授测算，全世界生产能源的1P3到1P2 损失在摩擦磨损上，而英国焦斯特教授指出，世界消耗能源的30 %～40 %消耗在摩擦损耗上，从设备的润滑观点来讲，干摩擦是有害的。主要表现在能量的损失和机件的磨损上。
金刚石由于有极高的硬度，对摩擦面上的尖凸进行自由磨削，迅速去除摩擦副表面凹凸不平的微峰，属于极其精密的研磨抛光过程，是普通机械加工无法做到的。这种作用使摩擦副之间的接触面积迅速增大，加速了磨合过程，提高了磨合精度。而纳米金刚石的球形和准球形颗粒镶嵌于摩擦副之间的接触微凹之中。有优异的承载力，摩擦表面形成滚珠轴承效应，表现出良好的润滑性，将滑动摩擦变成了滚动摩擦，摩擦阻力变小，避免了干磨现象的发生。这里介绍二实例以阐明纳米金刚石在润滑中所起的重要作用。
例一、Daniel Kamman 和Vitaly Komarov 的研究表明，使用core 和shell 金刚石符合传统的润滑液，可降低磨损、摩擦系数和摩擦温度，以及提高设备部件的载荷和使用寿命[3]。
例二、与其他机油添加剂的最大区别是能够立即见效并有很好的耐久性，添加后发动机的声音马上变静，旧机器以及柴油机的声音变化更加明显。添加后机油的耐久性按照美军规格(MTL) 的润滑剂评价方法进行实验的。结果表明，与传统的二硫化钼系、有机钼系、氟素树脂等润滑剂相比，具有明显的不同，见图3、图4 和图5。
图3 在1000 磅负荷下各种添加剂的耐久时间(Falex 实验)
3 纳米金刚石的复合镀[ 4～9]
材料的复合化是材料发展的必然趋势，随着现代工业的发展，机械零件需要在复杂、荷刻的条件和环境下工作，对材料表面性能提出了越来越高的要求。作为一种行之有效的表面改性措施，表面涂覆技术应运而生并获得广泛应用。
然而，对于某些主要因接触疲劳或高温磨损而失效缸体、活塞环、模具、曲轴、轴承等，单一涂层已很难满足要求。研究表明，复合镀层能有效地提高涂层与基体之间的结合强度，改善镀层内应力的分布及裂纹的扩展方向，获得一些特殊和优异性能。因此，复合涂层已成为表面工程领域的研究热点之一。
可是，复合电镀膜中的固体颗粒(金刚石、碳化硅等) 均为毫米和微米级，而镀液中的固体颗粒越细，复合镀层中微粒的分散性越好，镀层的强化效果越明显。因此，纳米金刚石则具有优势。因为它不但具有金刚石的超硬、高抗磨、耐热防腐性能，而且颗粒表面有丰富的羟基、羧基、羰基等官能团，与镀覆表面有极强的结合力，用量小，性能提高显著，十分适合于复合镀，不仅可用于金属表面，也可用于橡胶、塑料、玻璃等表面的涂敷。
据了解，世界上每年金属腐蚀损耗大约1500 亿美元。我国年损耗在1500 亿人民币，金属电镀是解决的途径之一。我国电解电镀业厂达15000 多家，但技术雷同，水平较低，耐磨腐蚀程度与基板的结合强度差，污染大，属急待升级的传统产业。
近年来，开始使用国外的纳米金刚石复合电镀膜添加剂，效果明显，但价格昂贵。我们的纳米金刚石电解电镀膜添加剂与基板的亲和力极强，耐磨损能力优于国外产品。售价仅为国外的60 % ，现已开始替代进口，我们做了个粗略的估算，如每年电解电镀表面达到了3 亿平方米，电镀层厚度按5μm 计算，每平方需用纳米金刚石灰粉1 克，共需纳米金刚石复合镀膜添加剂30000 吨，折合纳米金刚石60 万公斤。
我国目前年产20 亿只，2005 年将达30 亿只，主要配套汽车、摩托、家电、矿山机械、纺织机械、船舶制造和精密机床仪表、军工和出口，急需纳米复合电镀工艺升级。
我国模具镀层和塑料、玻璃的装饰镀的市场巨大，纳米金刚石复合电镀的前景广阔。
纳米金刚石金属复合镀具有以下一些通性；高的耐磨性和显微硬度；高的抗蚀性和小的孔隙度；非常低的摩擦系数；很高的内聚力和附着力；电解液具有高的扩散能力，因此，引起工程技术专家的极大兴趣和关注。纳米金刚石金属复合镀的应用中将导致电化学和化学镀技术的革新。
4 纳米金刚石用于磁性录音系统
首先，纳米金刚石在磁带和磁盘的铁磁镀膜中，应用作为减磨的添加剂和物理的变性剂；其次，将其添加剂电化学的复合膜中可改善磁性录音的稳定性[10 - 12 ] 。
(1) 纳米金刚石添加剂到铁磁层中明显地减小磁畴(铁磁体的颗粒) ，即录音密度明显地增大。
纳米金刚石引入磁头洁净的专用膜中，其耐磨性明显地增大。
含有纳米金刚石的软磁信息载体具有以下的优越性：磁载体层的磨损下降，能确保磁头和读数的最佳工作条件，磁载体摩擦减小及其运转稳定性的提高。
(2) 与纯CoP 膜比较，CoP 纳米金刚石软磁的非晶质膜显示显微硬度增大30 %；耐磨性提高3. 5 倍，摩擦系数减小28. 6 % ，磁头铁芯的使用寿命增加1 倍。
与纯电化学或化学镀CoP 镀层比较，CoP 纳米金刚石的硬磁多晶体的显微硬度提高20 % ，腐蚀电流减小37. 5 % ，磁性录音载体的使用寿命增大。
添加纳米金刚石时，无论是软磁的非晶质的，还是硬磁镀层的磁性特性都没有变化。
当层厚1. 10-6m 时，纳米金刚石的单位消耗为1m2约1 克拉。
5 纳米金刚石用于医疗
纳米金刚石异常高的吸附能力，大的比表面积，表面上的大量自由电子数(数目多的原子供体) ，纳米尺寸，晶体表面上大量的含氧官能团，颗粒的化学惰性，表面的亲水特性，对其可能用于治疗的药剂是重要的[3 ] 。
纳米金刚石可应用肿瘤学，肠胃学、心脏学、血管疾病的诊治等，它们没有致癌的或诱变的性质，没有毒。
纳米金刚石对致病的病毒，微生物和细菌来说显示非常高的活性，由于高的吸附能力和其它的独特性，它们将被强烈地吸收，它们是超活性的吸附剂。在生物学上降低活性物质的迁移率，是急剧强化药用试剂作用的手段，纳米金刚石的应用诱致血压的正常化。此外，当肠胃系统患病，纳米金刚石是有效的，是防止烧伤、不同皮肤病、内脏中毒后效的最好手段。
纳米金刚石应用于水性的和油性的悬浮液，有利于对肿瘤药用试剂的强化，以及减少和消除痛苦的作用，肠道蠕动的正常化，改善血液指标，提高生命和免疫系统的活性，病毒从机体内排出等。
纳米金刚石的应用与化学的和射线疗法结合起来显示出很好的前景。恶性赘瘤治疗时用于防止有疗效的药剂的诱变性，而且纳米金刚石不会降低其疗效，以及可以预防正常细胞和在防止癌药作用下继发性肿瘤的诱导作用突变的发生。
一个疗程约需0. 02～0. 05 克的纳米金刚石。
6 结语
(1) 纳米金刚石的应用尚处起步阶段，但实验证明在一些传统技术领域应用中已初见成效。
(2) 本文所提供的具体事例，只是已知许多事例中具有代表性的一些事例。
(3) 为使大家对纳米金刚石更多的了解，笔者拟在广泛占有资料的基础上，对本文上述各节中的内容分专题进行阐述以飨读者，以达引起相关工程技术专家的关注，进而推动纳米金刚石应用快速、健康的发展。
参考文献
[1 ] 王光祖主编. 纳米结构金刚石发展研讨会论文集[C] ，1999 ，7
[2 ] 王光祖，李斌，华丽. 超硬材料与宝石特辑[J ] . 2002 ， 14(4) ：29～34
[3 ] Damid Kamman INTERTECH2000
[4 ] Lanfant R ， Bouvier H ， et al ， Galvano2organo2traitement de surface ，1992 ， 629 ：805～808(end)
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(4/15/2010) |
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