單晶鑽石微粉

奈米鑽石的物理基礎和應用概況

一、奈米鑽石特性

鑽石是地球上最堅硬的物質,也是最寶貴的鑽石材料。在所有天然及合成材料中,鑽石具有最高的硬度和熱導率,最寬的光學透過範圍的頻率響應範圍,折射率也最高,具有最好的耐磨特性,其聲學特性、抗輻射能力及耐腐蝕等性能也是最好的。可以說鑽石是物質世界至今為止最完美的功能性材料。由於鑽石粉在軍事上及國民經濟中具有潛在的應用前景,其制備技術得到越來越多的重視。

奈米鑽石是利用TNT和RDX爆轟高壓(20萬個大氣壓)高溫(3000k)瞬間合成的球形奈米尺度物質,兼具奈米顆粒和超硬物質的雙重性質,是一種熱力學性質最穩定的奈米結構單元。可以添加在很多物質中穩定存在,並改變原來物質的性質,構成嶄新的奈米材料。奈米鑽石是目前所有方法中得到的最細的鑽石粉,這種鑽石粉自然界不存在,只有通過人工方法合成。它們具有無與倫比的硬度和耐腐蝕性能,同時又由於晶粒細小(可以做到最可幾粒徑10奈米,1奈米等於十億分之一米)、比表面積大而具有很高的物理活性和微觀吸附作用,在解決奈米組裝問題之後,可以完全消除界面張力問題,解決團聚問題。適用於抗磨減摩領域及覆合材料改性增強等方面的應用。

二、 奈米鑽石國內外发展現狀

奈米鑽石的生產都是采取石墨爆轟法完成的,傳統的粉碎研磨技術職能將鑽石粉加工到200奈米,還不能成為奈米尺度的結構單元。這種方法操作簡單,我國在爆轟合成奈米鑽石技術及應用開发方面起步較早,已開发出不少產品,具有國際先進水平。

1、國防

1、1 對雷達波、紅外紫外光有巨大的透視率和吸收率,塗在飛機、坦克、導彈、軍艦上,可以隱形防腐;

1、2 將奈米鑽石添加到炸藥中,可大大提高炸藥的爆炸威力。

1、3 可將奈米鑽石電刷鍍到裝甲車、坦克的防護裝甲上,電鍍到槍管和炮管中。

1、4 將奈米鑽石添加到織物纖維中,可以制造耐磨、自潔、防紫外、隱形面料。

2、潤滑材料

經過奈米組裝技術處理過的奈米鑽石顆粒可以完全消除界面張力,使其均勻、熱力學穩定地懸浮在潤滑油中,就相當於在潤滑油中放置了數以億計的軸承珠子。在工作時,能在缸套和活塞之間生成永不磨損的鑽石滾珠軸承結構膜,將滑動摩擦變為滾動摩擦。還能補缺磨損或粗糙度大的凹處,可大大延長发動機的壽命;

3、機械

3、1 制備含奈米鑽石的鍍鎳、鍍鉻、鍍銅、鍍鋅、鍍鈷–磷等覆合電鍍液,對各種切削工具、沖擠拉壓模具、齒輪、軸、汽缸、缸套、噴嘴、進行覆合電鍍,可使耐磨性提高2–4倍,顯微硬度增加1–4倍。

3、2 奈米鑽石和其它金屬微粒一起,在氫氣環境下可制備高強度、高耐磨的覆合金屬,可廣泛用於发動機缸體、活塞和石油鉆頭的制造。

4、電子

4、1 用爆轟法可以制成奈米鑽石半導體材料,它具有寬禁帶、高電子與空穴遷移率,禁帶寬達5.5ev,比常用的半導體矽材料高5倍;空穴遷移率是矽的4倍,電路運行速度大大提高.由於由輻射引起的載流子在鑽石半導體上不易積累,不會影響器件的特性,因而是制作高可靠性、抗輻射半導體器件的理想材料.

4、2 用奈米鑽石摻雜硼、鋁,其電阻由7.7*107歐姆厘米下降到0.1-2歐姆厘米,這為制備奈米鑽石半導體材料和電極材料拓寬了道路。

4、3 具有優異的冷陰極場发射效應,是十分理想的高清晰、低能耗、可替代液晶的大視角超薄平面顯示器材料;

4、4 用奈米鑽石成膜,可作為集成電路、磁盤、磁頭等的高級保護膜。

5、覆合材料

奈米鑽石表面有許多羧基、羥基、羰基等功能團,很容易同金屬、橡膠、塑料聚合物、織物表面緊密結合。添加少量奈米鑽石就可以使它們具有特異的親合性和耐磨、防腐性能

5、1 用少量奈米鑽石懸浮在塗料中,噴在汽車表面,可以抗劃傷、防紫外、不吸水、自潔,提高汽車塗料的均勻度、牢固度和耐候性。塗在船艦上,可以抗海水腐蝕。

5、2 將奈米鑽石添加在橡膠、聚合物中,可大大改善其性能。可提高輪胎抗爆裂強度(從53Mpa提高到154Mpa);提高橡膠制品的彈性2倍,提高耐磨性2-2.5倍;將其添加到氟橡膠中制造发動機用橡膠器件,加到晴基橡膠中制造密封圈可大大提高低溫下的彈性;加到環氧樹脂為基礎的聚合物中,可提高連接強度2-2.5倍.

5、3 利用用少量的奈米鑽石粉添加制成覆合陶瓷制品,可大大增強韌性,減少脆性,並有更高的耐磨性。

6、生物醫學材料

用奈米鑽石塗層在牙齒、下頜骨、腿骨關節等表面上,生物相容性好,耐磨性好,生物醫學方面用途廣大。

7、其它

7、1 用奈米鑽石粉配制精細拋光液、拋光膏,可用於紅藍寶石玉飾、高級光學鏡頭的精拋光。

7、2 利用奈米鑽石的極大比表面積,有強烈的吸收氫氣、儲存氫氣的能力。可作為燃料電池的基質,在開发新型能源、減少污染上有巨大的用途。

總之,奈米鑽石是現代科技的結晶,市場應用前景廣闊。

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