ナノダイヤモンドブラックパウダー（単結晶ブレンド）

ナノダイヤモンドブラックパウダー（単結晶ブレンド）

機械産業におけるナノダイヤモンド

（1） ナノダイヤモンド複合コーティング

ナノダイヤモンド 複合コーティングは、製品製造における重要な技術のひとつです。 表面コーティングは、組成と組織を制御した保護膜を提供し、製品の耐用年数と信頼性を大幅に向上させる。 例えば、過酷な環境で使用される海洋プラットフォーム、大規模露天掘り採鉱、冶金・石油化学生産設備の長持ちする複合保護材は、5年から10年の使用で内部錆を発生させることができる。機械産業で広く使用されている工具、金型、ポンプ、シャフト、バルブの表面強化は、耐用年数を3倍から5倍に延ばすことができる。

ナノダイヤモンド複合コーティング技術は、品質、効率、エネルギーと材料の節約、環境保護、経済効率に効果的なツールです。 統計によると、機械製造に使用されるエネルギーの約1/3が、直接または間接的に摩耗や損傷によって消費され、世界の鉄鋼生産量の1/10が錆などの腐食によって失われている。 イギリスやアメリカでの調査によると、国民経済総生産の2％から4％が腐食によって失われており、中国での腐食による損失は年間少なくとも400億元に上る。 中国27省・市の機械工業企業約400社を対象にした調査によると、腐食による年間損失は116億元に上る。 世界の金属腐食による年間損失は約1500億ドル、中国の年間損失は1500億人民元と言われている。

近年、ダイヤモンドの高い硬度と耐食性が複合コーティングに応用されることへの関心が高まっている。 しかし、ダイヤモンドの粗い粒子は一般にミクロンまたはサブミクロンの大きさであり、精密機器、高い表面仕上げ、微細加工、高い耐摩耗性などの要求を満たすコーティングを得ることは困難である。 ナノダイヤモンド製造技術の急速な発展、特に2～12nmのダイヤモンドの出現により、複合層を形成するためのナノダイヤモンドの使用は、この欠点を補うものと期待されている。 エレクトロブラッシング技術は、電気メッキ技術をベースに近年開発された新しい表面改質技術であり、他の技術では解決が困難な機械部品補修の問題を解決することができる。 中国科学院蘭州化学物理研究所固体潤滑開放研究室は、蘭州大学材料学部と共同で、ナノアダマンタイトを含む複合ニッケルブラシコーティングのトライボロジー特性を調査した。 ナノアダマンタイトを含有する複合ニッケルブラシコーティングのトライボロジー特性を調査した結果、このコーティングは優れた摩擦摩耗低減特性を有し、試験領域におけるナノアダマンタイト黒色粉末の含有量が増加するにつれて増加することが示された。

現在、中国の年間シリンダー生産能力は30億本を超え、主に自動車、オートバイ、家電、鉱山機械、繊維機械、造船、精密工作機械、計測器、軍事などの産業で使用されている また、中国の金型、プラスチック、ガラスへの装飾めっき市場は巨大で、ざっと計算すると、めっき面が3.0×108m2、めっき層の厚さを5μmとすると、1m2あたり0.2gのナノダイヤモンドが必要となり、ナノダイヤモンド-金属複合めっき添加剤に必要なナノダイヤモンドは6.0×105kgに達する。 ナノダイヤモンド複合電気めっきは有望である。

効果的な保護により、腐食による損失を少なくとも15～35％、摩耗による損失を約1/3に減らすことができる。 さらに、表面コーティングが薄いため、表面コーティングや表面改質は非常に少ない材料で実施できることが多く、耐食性や耐摩耗性を大幅に向上させることが可能で、貴重な材料の節約や製造コストの削減という点で、明らかな経済的メリットがある。 例えば、磨耗した金型、クランクシャフト、ガイドレール、シリンダーライナー、ハウジング、シャフト、ベアリングシート、バケットの歯、ライニングプレート、および無限軌道車両部品の通常のメンテナンスは、ブラシメッキ技術を使って実施され、大きな経済的利益をもたらしている。

ナノダイヤモンド複合クロムめっきのトライボロジー特性に関する研究により、複合めっき層にナノダイヤモンド粉末を添加すると、均質で緻密な複合めっき層が得られることが明らかになった。 ナノダイヤモンドパウダーを添加することで、めっき層の粒径が微細化され、無差別に補強されるため、複合クロムめっき層の硬度が向上する。 油潤滑条件下では、ナノダイヤモンド粉末の添加はメッキ層の耐摩耗性を著しく向上させ、層厚が27μmの場合に最も効果的である。 耐摩耗性は純クロムメッキ層の12倍である。

ナノダイヤモンドめっきは、ナノダイヤモンドの固体粒子をめっき液に不溶性に添加したものである。， 均質な懸濁液を形成し、固体粒子を金属イオンと共析させて複合皮膜を得る成膜技術。 懸濁法を用いてナノ粒子を分散させ、高い耐摩耗性と摩擦低減効果を持つ複合ナノダイヤモンドコーティングを実現した。 ナノダイヤモンド複合層の硬度はHV700-1100に達することができ、Cr15、通常のニッケルメッキ、ミクロンダイヤモンド複合層よりも耐摩耗性に優れている。 摩擦係数は通常のコーティングの3分の1しかない。 独自の自己潤滑効果により、摩耗寿命は2～5倍に延びる。 クロムメッキやニッケルメッキに代わって、様々な産業の精密摩耗部品の表面処理に広く使用されています。 適用結果は表1～3を参照

 

表1 ナノスケールダイヤモンドを含むクロムメッキドリルビットの実験結果

ドリル直径/ mm	加工する金属の種類	増加倍率（使用効果）
0. 8～1. 2	ガラスプレート	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	ガラスプレート	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	スチール	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	スチール	2. 0
6. 0～10. 0	ステンレス	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	スチール	1. 5～1. 8
10. 0	ステンレス	1. 9
20. 0	鋳鉄	6. 0～8. 0

 

表2 クロムダイヤモンドメッキを施したプレス金型の実験結果

窒化、浸炭、クロムメッキ、特殊鋼を使用した工具と比較した相対的寿命。

表3 クロムダイヤモンドメッキ用スタンピングツール（ネガ型およびポジ型）

プレートスタンピングの実験結果

作業順序	加工材料	増加倍率（使用効果）
冷間押出	スチール、銅、アルミニウム	1. 6～1. 82. 0～3. 0
パンチング	ガラス、プラスチックシート、黄銅	1. 6～2. 42. 0～4. 0
ストレッチ成形	黄銅メッキ鋼	2. 8～3. 0.1 4～1. 8

 

（2）ナノダイヤモンド含有潤滑油

潤滑油は、エンジンオイルだけでなく、ウォームギアオイル、ギアオイル、油圧オイル、真空ポンプオイル、高速機械オイル、マシンオイルなどにも使用されている。 最近の研究では、潤滑油にナノダイヤモンドを添加することで、以下のような利点があることが示されている：

⑴製品の品質と競争力を向上させ、輸送用具や装置の寿命を延ばし、潤滑油を節約する。

⑵摩擦は20％から40％減少する。

⑶摩擦面の摩耗は30％から40％減少する。

⑷摩擦による慣らし運転。

ナノダイヤモンドの単位消費量：潤滑油1000kgに対して0.01～0.20kg。 2002年の中国の潤滑油消費量は約4.0×106トン、販売額は数百億ドルで、増加率は年率10％である。 ナノダイヤモンドの特性を利用した高効率内燃エンジン摩耗油の開発は、実験室およびエンジンベンチでテストされ、摩耗時間の大幅な短縮、摩耗の質の向上、エンジン相手面の耐摩耗性の向上、エンジンの耐用年数の延長が実証されている。

現在、金属潤滑剤は摩擦基材の表面を予備摩耗させ、金属潤滑剤の耐摩耗性を付与するために一般的に使用されている。 実験データによると、ナノダイヤモンド粉末を含む金属潤滑剤は、摩耗を1.7～2.0倍、摩耗時間を1.5～2.4倍短縮し、摩擦係数を1.25～2.0倍低減できる。

 

（3）ナノダイヤモンドを使用した新しい耐摩耗性材料

1992年、アメリカのヤシチェンコらは、粉末冶金によって新しい摩耗防止材を製造した。銅-亜鉛粉末と銅-錫粉末をナノアダマンタイト粉末と一定の比率で混合し、圧縮成形した後、水素中で焼結したものである。 この新素材は、内燃機関やその他の伝動機械のシリンダーライナーの製造や、すべり軸受などの製造に使用できる。この新素材は、摩擦係数が低く熱伝導率の高いナノスケールのダイヤモンド粉末が含まれているため、高い耐傷性と耐摩耗性を持つ。

ナノダイヤモンドから作られた金属パッチは、引張強度を71.98％、ねじり強度を19.75％、耐摩耗性を154.82％向上させることがテストされている。

海外のレポートでは、ナノダイヤモンドを有機ケイ素コーティングを施した航空機や船舶の胴体、翼、船体表面に適用することで、コーティングの耐食性、耐凍結性、耐温度性、耐老化性を向上させ、弾性、破壊強度、引裂強度などを改善し、表面コーティングの耐用年数を1.5～2.0倍に延ばすことができる一方、コストは1～2％しか増加しないと言及されている。

ナノダイヤモンド複合材料

フルオロエラストマーとブチルゴムは、精製前および精製後のボンバードメント合成生成物（ナノダイヤモンドブラックおよびグレーパウダー）を用いて改質されている。 研究によると、ブラックパウダーはゴムの硬度を高めるが、引張強度と破断伸度は低下する。 フルオロエラストマーにナノダイヤモンドグレーパウダーを添加すると、ゴムの総合的な性能指数が向上する。 これは、ナノダイヤモンドグレーパウダー中に軽質基、カルボキシル基、メチル基などの官能基が存在するためで、ポリマーとの結合活性を高め、ゴムの引張特性、硬度、耐摩耗性を向上させる。

ロシアの学者の研究によると、フッ素フィルムにナノダイヤモンドを添加することで、摩耗や引き裂きに対する耐性が1倍向上することが示された。 タイヤ用ポリイソプレンゴムにナノダイヤモンドを添加することで、耐摩耗性、伸び、老化プロセスが1.3～1.7倍改善され、高温引裂強度が大幅に向上し、タイヤのバースト強度（53MPaから154MPa）も向上した。 シリコーンゴムにブラックパウダーを充填すると、絶対長を約3倍に増加させたときの破断強度が53MPaから154MPaに増加し、複合弾性強度が3～5倍に増加し、臨界弾性率および最大弾性率はブラックパウダーの含有量が約0.6重量％に対応する。

ほとんどの研究は、より機能的なゴムやプラスチック製品のフィラーとしてナノダイヤモンドや黒色粉末を使用することに焦点を当てており、いずれもフィラーレベルは低く、一般的には1％未満である。 ゴム加工において、従来のカーボン充填剤の1～3％（w／w）を同重量のナノダイヤモンドブラック粉末で置き換えると、無極性イソプレンゴム製自動車タイヤの耐用年数（走行距離）を30％延ばすことができ、ブッシュなどのゴム部品の寿命は30～100％延ばすことができる。 同時に、ナノダイヤモンドの添加は気孔率を低下させ、サンプルを混合するのに必要な電力を5～7％削減し、気泡、破片、表面上の付着物の形成を減少させ、脱型を容易にする。

 

ナノダイヤモンドブラックパウダーとナノダイヤモンドグレーパウダーで改質されたプラスチックは、次のような効果があります：

（1）未修飾の黒色粉末コンパウンドの空気中での熱酸化性能は、HDPEおよびLLDPE複合材に黒色粉末を05%充填することによって改善され、純粋なマトリックスと比較して熱分解温度がそれぞれ9℃および5℃上昇した。

（2）未修飾の黒色粉末をポリマーに充填して得られるコンパウンドの引張強さはあまり変化しないが、充填レベルが高くなると低下する。 改質黒色粉末を充填することにより、引張強度が向上した。 充填された複合材料の衝撃強度は、未改質黒色粉末であるか改質黒色粉末であるかにかかわらず低下する。 コンパウンドの摩擦摩耗性能は、ブラックパウダーの使用量が多いほど向上する。 バランス上、HDPEの最適フィラーレベルは0.5％、LLDPEは0.3～0.5％である。

（3）0.05%の黒色粉末を充填したHDPE複合材は、2kg以下の試験荷重では摩擦摩耗性能にほとんど変化がなく、2k5gを超えると摩擦摩耗性能が著しく悪化した。 10kgを超えると摩擦摩耗性能は著しく悪化した。

（4）未修飾のナノダイヤモンドブラックパウダーやナノダイヤモンドグレーパウダーの方が、PPへの分散性や相溶性が良い。 ナノダイヤモンドブラックパウダーやナノダイヤモンドグレーパウダーの添加は、PPのa-状態結晶の結晶性を向上させるが、他の結晶形態の形成にはつながらない。 0.06%のナノダイヤモンドブラック粉末または0.06%のナノダイヤモンドグレー粉末を添加したPPの結晶化度は、マトリックスと比較してそれぞれT16.74%、25.83%増加した。 PP基複合材料の引張強さはフィラー含有量の増加とともに増加するが、衝撃強さは減少する。 PP基複合材料の衝撃強度は、フリーラジカルがPPマトリックスの結晶領域で結晶化を誘導し、非晶質領域で配向を誘導するという二重の効果により、ナノ粒子含有量の増加とともに変動し、最大値は約0.06%充填時である。 ナノダイヤモンドグレーパウダーは、ナノダイヤモンドブラックパウダーよりもPPの特性に良い影響を与える。

（5）エポキシ樹脂接着剤にナノダイヤモンドグレーパウダーを添加すると、破断抵抗性が2.5倍になる。

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