奈米鑽石黑粉(單多晶混合)

奈米鑽石黑粉(單多晶混合)

納米金剛石 在機械行業的應用

（1） 納米金剛石 複合鍍覆

納米金剛石 複合鍍覆技術是產品製造的關鍵技術之一。 通過表面鍍覆， 可使產品表面得到成分、 組織可控的保護鍍層， 顯著提高產品的使用壽命和可靠性。 如： 使用環境比較惡劣的海洋平臺、 大型露天礦開採、 冶金石化生產設備， 採用長效複合保護， 可在5~10年的使用期間內部產生銹蝕； 機械行業使用量大面廣的刀具、 模具、泵類、 軸類、 閥門， 經過表面強化後， 使用壽命可提高3~5倍。

納米金剛石 複合鍍覆技術是優質、 高效、 節能、 節材、 環保和提高經濟效益的有效手段。 統計表明， 機械製造中約有1/3的能源直接或間接的消耗於磨損、 磨蝕引起的損失， 世界鋼產量的1/10損耗於銹蝕與其他腐蝕， 腐蝕與磨損給國民經濟造成的損失驚人， 根據英、 美等國調查， 國民經濟總產值2%~4%因腐蝕而損失， 我國每年由於腐蝕造成的損失至少在400億元以上， 據調查我國27個省市約400個機械工業企業， 每年因腐蝕損失116億元。 據瞭解， 世界上每年金屬腐蝕損耗大約1500 億美元， 我國年損耗在1500 億人民幣， 而金屬電鍍是解決這一技術難題的途徑之一。

近年來， 金剛石用於複合鍍層的高硬度和耐蝕性日益受到關注。 但由於一般的金剛石顆粒為微米級或亞微米級， 顆粒較粗， 得到的鍍層組織難以滿足精密儀器、 高光潔度表面、 精細加工和更高的耐磨性等要求。 隨著 納米金剛石 生產技術的飛速發展， 特別是2 ～12 nm 金剛石的出現， 採用 納米金剛石 形成複合鍍層有望彌補這一不足。 電刷鍍技術是近年來在電鍍技術的基礎上發展起來的一種新型表面改性技術， 能解決一些其它技術難以解決的機械零部件修復的問題。 中科院蘭州化學物理研究所固體潤滑開放研究實驗室與蘭州大學材料系合作， 對含 納米金剛石 的複合鎳刷鍍層的摩擦學特性進行了研究， 結果顯示， 該鍍層具有極好的減摩耐磨性能， 在試驗範圍內， 其減摩耐磨性能隨著 納米金剛石 黑粉含量的增加而提高。

我國目前年產30 多億隻氣缸， 主要配套用於汽車、 摩托、 家電、 礦山機械、 紡織機械、 船舶製造和精密機床儀錶、 軍工等產業， 急需納米複合電鍍工藝升級。 另外， 我國模具和塑膠、 玻璃的裝飾鍍的市場巨大， 據粗略計算， 如果電鍍表面達3.0×108 m2 ， 電鍍層厚度按5 μm 計算， 每平方米需用納米金剛石0.2 g， 則納米金剛石-金屬複合鍍添加劑所需納米金剛石將達到6.0×105 kg。 納米金剛石複合電鍍前景廣闊。

採用有效防護手段， 至少可減少腐蝕損失15%~35%， 減少磨損損失1/3左右。 此外， 由於表面鍍層很薄， 往往用極少的材料進行表面鍍覆和改性就能明顯提高耐蝕耐磨等性能， 對節約貴重材料， 降低製造成本具有明顯經濟效益。 例如， 對磨損了的模具、 曲軸、 導軌、 缸套、 箱體、 軸類、 軸承座、 鬥齒、 襯板等零件以及履帶車輛零件， 均利用電刷鍍技術開展正常維修工作， 具有極大的經濟效益。

研究了 納米金剛石 複合鍍鉻層的摩擦學性能後發現， 複合鍍層中加入納米金剛石粉， 可以形成均勻緻密的複合電鍍層。 納米金剛石粉的加入可以使鍍層晶粒細化， 起彌散強化作用， 提高了複合鍍鉻層的硬度。 在油潤滑條件下，  納米金剛石 粉的加入可以顯著提高鍍層的耐磨性， 並且鍍層厚度為27μm時效果最佳， 耐磨性比純鍍鉻層提高了12倍。

納米複合鍍技術是不溶性的 納米金剛石 固體顆粒加入到鍍液中， 形成均勻懸浮液， 使固體顆粒與金屬離子共沉積而獲得複合鍍層的一種沉積技術。 運用懸浮技術使納米顆粒充分分散， 所獲得的納米金剛石複合鍍層具有高的耐磨性和減摩性等優異性能。  納米金剛石 複合鍍層硬度可達HV700～1100, 耐磨性優於Cr15、 普通鍍鎳層和微米金剛石複合鍍層。 摩擦係數僅為普通鍍層的三分之一。 具有獨特的自潤滑效果， 耐磨壽命可提高2-5倍。 可廣泛應用於各行業精密耐磨件的表面處理， 代替原有鍍鉻、 鍍鎳等工藝。 應用效果見表1-表3

表1 含納米級金剛石的鉻鍍層鑽頭實驗結果

 表2 鉻金剛石鍍層壓制模具的實驗結果

與滲氮、 滲碳、 鍍鉻強化及採用特殊鋼的工具比較， 相對壽命。

表3 鉻金剛石鍍層衝壓工具(陰模、陽模)

在板材衝壓時的實驗結果

（2）含 納米金剛石 的潤滑劑

納米金剛石在潤滑油中的奇特功效出乎許多人的預料， 它不僅用於製作發動機油， 亦可製作蝸杆油、 齒輪油、 液壓油、 真空泵油、 高速機械油、 機床油等。近來的研究表明， 納米金剛石添加到潤滑油中顯現出以下優越性：

⑴提高產品的品質和競爭能力； 提高運輸工具和裝置的工作壽命；節約潤滑油材料。

⑵摩擦動量降低20%～ 40%。

⑶摩擦面磨損減少30% ～ 40%。

⑷摩擦副的快速磨合。

納米金剛石的單位消耗:1000 kg潤滑油中添加0.01 ～ 0.20 kg。 2002年我國消耗潤滑油約4.0×106噸， 銷售額幾百億元， 且以每年10%的速度遞增。 利用納米金剛石的特性， 研製開發的高效專用內燃機磨合油， 經過實驗室理化指標測試和發動機實車台架試驗， 證明能顯著縮短時間、 提高磨合品質、 改善發動機配合副表面耐磨性能、 延長發動機使用壽命 實現了發動機磨合與表面改性有機結合。

目前常用金屬潤滑劑預磨摩擦副表面， 把金屬潤滑劑的抗磨性賦予摩擦副表面。 實驗資料證明含納米金剛石粉末的金屬潤滑劑能將磨損度降低1.7～2.0倍， 使磨合時間縮短1.5～2.4倍 ， 摩擦係數減少1.25～2.0倍。

（3）含 納米金剛石 的新型耐磨材料

1992年美國的 Yashchenko等人用粉末冶金法制成了一種新型抗磨材料， 這種材料是把銅鋅和銅錫粉末與納米金剛石粉末按一定比例混合經壓實， 然後在氫氣中燒結製成的。 這種新型材料可用於內燃機缸套和其他傳動機械的襯套製造， 也可用於製造滑動軸承等， 由於這種新材料含有摩擦係數小、 熱傳導率高的納米級金剛石粉末， 所以具有高的抗劃痕性和耐磨性。

用納米金剛石製造的金屬修補劑， 經實驗測定， 抗拉強度提高71.98%， 扭轉強度提高19.75%， 耐磨性提高154.82%。

國外有報導提到納米金剛石可以應用於飛機和艦船的機身、 機翼及船體表面的有機矽塗層， 可以增強塗層的防腐、 防凍、 耐溫、 耐老化性能， 提高彈性、 斷裂強度及撕裂強度等， 使其表面塗層的使用壽命提高1.5 ～ 2.0 倍， 而其成本只增加1% ～ 2%。

納米金剛石 複合材料

     採用提純前後的爆轟合成產品(納米金剛石黑粉和灰粉)對氟橡膠和丁睛橡膠進行改性。 研究表明， 爆轟黑粉雖然可以提高橡膠硬度， 但拉伸強度和扯斷伸長率反而下降。 納米金剛石灰粉添加到氟橡膠中， 橡膠的綜合性能指標上升。 這是因為， 納米金剛石灰粉含有輕基、 羧基、 甲基等官能團， 增強了與聚合物鍵合的活性， 從而提高橡膠的拉伸性能、 硬度、 耐磨性等性能指標。

俄羅斯學者的研究表明， 氟薄膜加入納米金剛石後， 抗磨損能力提高1倍。 用於輪胎的聚異戊二稀橡膠加入納米金剛石後， 耐磨性、 延伸率、 減緩老化過程等性能提高1.3一1.7倍， 高溫抗撕裂性能顯著改善， 輪胎抗爆裂強度（從53 MPa提高到154 MPa）。 用黑粉填充矽橡膠， 使斷裂強度在絕對長度增加約三倍時從53MPa提高到154MPa， 綜合彈性強度增加3一5倍， 其臨界和最大的彈性模量相應于黑粉含量約0.6%(重量)； 在氟橡膠組分中填充黑粉， 使磨蝕磨損抵抗力提高1.5一2倍， 與聚異戊二烯橡膠相近。

目前， 大多研究都集中在以納米金剛石或黑粉作為填充劑填充功能性較強的橡膠或塑膠製品， 並且均為低填充， 其添加量一般都小於1%。 在橡膠加工過程中， 用納米金剛石黑粉以同樣的重量取代1~3%(重量百分比)的傳統碳填充劑， 可使非極性的異戊二烯橡膠汽車輪胎使用壽命(里程)延長30%， 而軸襯等橡膠工件的壽命則可以提高30~100%。 同時， 由於納米金剛石的加入減少了孔隙率， 混樣所需功率減少5~7%， 且可減少表面產生氣泡、 碎屑、 粘附， 更易脫模。

納米金剛石黑粉和納米金剛石灰粉改性塑膠效果如下：

（1）未改性黑粉後的複合材料在空氣中的熱氧化性能得到了提高填充了05%黑粉後的HDPE、 LLDPE複合材料分別比純基體的熱分解溫度提高了9℃和5℃。

（2）未改性黑粉填充高聚物， 得到的複合材料的拉伸強度變化不大， 在較高填充量時發生了下降。 改性黑粉填充後， 拉伸強度得到了提高。 不管是未改性還是改性黑粉， 填充後的複合材料其衝擊強度都下降。 複合材料的摩擦磨損性能隨著黑粉用量的增加而提高。 綜合考慮， 認為黑粉對於HDPE最佳填充量為0.5%， 對於LLDPE的較佳填充量範圍為0.3%一0.5%。

（3）填充了.05%黑粉的HDPE複合材料， 在試驗載荷低於2kg時， 摩擦磨損性能受載荷的影響變化不大， 超過2k5g時， 摩擦磨損性能顯著變差; 填充了0.5%黑粉的LDLPE複合材料， 在試驗載荷低於10kg時， 摩擦磨損性能受載荷的影響不大， 超過10kg時摩擦磨損性能顯著變差。

（4）未經改性的的納米金剛石黑粉或納米金剛石灰粉在PP中的分散性和相容性均較好。 添加納米金剛石黑粉或納米金剛石灰粉後提高了PP的a態晶的結晶度， 但沒有導致其它晶型的產生。 添加0.06%納米金剛石黑粉或0.06%納米金剛石灰粉的PP與基體相比， 結晶度分別提高T16.74%和25.83%。 PP基複合材料的拉伸強度隨填充劑含量的增加而提高， 衝擊強度則下降。 由於自由基對PP基體晶區的誘導結晶和對非晶區的誘導取向的雙重作用， 使得PP基複合材料的衝擊強度隨著納米粒子含量的增加出現波動， 並在填充量0.06%左右出現最大值。 納米金剛石灰粉對PP性能的改善效果要優於納米金剛石黑粉。

（5）環氧樹脂粘合劑中加入納米金剛石灰粉後， 抗斷裂強度提高2一2.5倍。

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