Nano Diamond Black Powder (Hỗn hợp Đơn tinh thể và Đa tinh thể)

Nano Diamond Black Powder (Hỗn hợp Đơn tinh thể và Đa tinh thể)

 

Ứng dụng của nano kim cương trong ngành cơ khí

（1）Lớp phủ tổng hợp nano kim cương

Công nghệ Lớp phủ tổng hợp nano kim cương là một trong những công nghệ then chốt trong sản xuất sản phẩm. Thông qua lớp phủ bề mặt, bề mặt của sản phẩm được bảo vệ bởi một lớp bảo vệ có thành phần và cấu trúc được kiểm soát, giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ và độ tin cậy của sản phẩm.Ví dụ: Các nền tảng biển, khai thác mỏ quy mô lớn ngoài trời, thiết bị sản xuất luyện kim và hóa dầu trong môi trường khắc nghiệt, với lớp bảo vệ tổng hợp bền vững có thể ngăn ngừa ăn mòn bên trong trong vòng 5 đến 10 năm sử dụng; Trong ngành cơ khí, việc sử dụng công cụ cắt, khuôn mẫu, bơm, vòng bi, và van phổ biến, thông qua việc gia cố bề mặt, tuổi thọ của chúng có thể tăng từ 3 đến 5 lần.

Công nghệ Phủ Composite Nano Kim Cương là một phương pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng, hiệu suất, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm vật liệu, bảo vệ môi trường và mang lại lợi ích kinh tế.
Thống kê cho thấy rằng ngành sản xuất máy móc tiêu thụ khoảng 1/3 năng lượng trực tiếp hoặc gián tiếp qua hao mòn, mất mát do ma sát. Sản lượng thép toàn cầu bị mất khoảng 1/10 do rỉ sét và các dạng ăn mòn khác. Ăn mòn và ma sát gây ra những tổn thất kinh tế khổng lồ. Theo điều tra ở Anh, Mỹ và các quốc gia khác, tổn thất do ăn mòn chiếm khoảng 2% đến 4% tổng giá trị sản xuất quốc gia.
Ở Trung Quốc, tổn thất hàng năm do ăn mòn gây ra ít nhất hơn 40 tỷ nhân dân tệ. Theo điều tra tại 27 tỉnh thành và doanh nghiệp cơ khí ở nước này, tổn thất hàng năm lên đến khoảng 11,6 tỷ nhân dân tệ. Được biết, tổng tổn thất kim loại toàn cầu hàng năm do ăn mòn là khoảng 150 tỷ đô la Mỹ, và ở Trung Quốc con số này tương đương 150 tỷ nhân dân tệ. Việc mạ kim loại là một trong những giải pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề này.

Trong những năm gần đây, độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn của kim cương trong mạ composite đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng. Tuy nhiên, do các hạt kim cương thông thường có kích thước micrô hoặc dưới micrô, hạt tương đối thô, cấu trúc lớp phủ thu được khó đáp ứng các yêu cầu của các dụng cụ chính xác, bề mặt có độ bóng cao, gia công tinh và khả năng chống mài mòn cao hơn. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sản xuất kim cương nano, đặc biệt là sự xuất hiện của kim cương có kích thước 2-12 nm, việc sử dụng kim cương nano để tạo lớp phủ composite được kỳ vọng sẽ bù đắp cho sự thiếu sót này. Công nghệ mạ chổi là một loại công nghệ cải tiến bề mặt mới được phát triển dựa trên công nghệ mạ điện trong những năm gần đây, có thể giải quyết các vấn đề sửa chữa linh kiện cơ khí mà các công nghệ khác khó xử lý. Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Mở về Bôi trơn Rắn tại Viện Vật lý Hóa học Lan Châu, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, phối hợp với Khoa Vật liệu của Đại học Lan Châu, đã nghiên cứu các tính chất ma sát của lớp phủ composite niken-mạ chổi có chứa vật liệu nano. Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ này có khả năng chống ma sát và mài mòn tuyệt vời, và khả năng chống ma sát và mài mòn của nó tăng lên cùng với sự gia tăng hàm lượng bột kim cương nano đen trong phạm vi thử nghiệm.

Hiện nay, nước ta sản xuất hơn 3 tỷ xi lanh mỗi năm, chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, xe máy, thiết bị gia dụng, máy móc khai thác, máy móc dệt, đóng tàu và máy công cụ chính xác, thiết bị đo lường, quân sự và các ngành khác, và đang cần nâng cấp công nghệ mạ composite nano.
Ngoài ra, thị trường khuôn mẫu, nhựa, và mạ trang trí kính ở Trung Quốc rất lớn. Theo tính toán sơ bộ, nếu bề mặt mạ đạt 3,0 × 108 m², độ dày của lớp mạ theo tính toán là 5 μm, mỗi mét vuông cần sử dụng 0,2 g kim cương nano, thì lượng kim cương nano cần thiết để làm phụ gia mạ composite kim cương nano-kim loại sẽ lên tới 6,0 × 105 kg.
Việc mạ composite kim cương nano có triển vọng tươi sáng trong tương lai.

Việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả có thể giảm tổn thất ăn mòn ít nhất từ 15%~35% và tổn thất hao mòn khoảng 1/3.
Ngoài ra, vì lớp phủ bề mặt rất mỏng, lớp phủ và cải tiến bề mặt thường sử dụng rất ít vật liệu nhưng lại cải thiện đáng kể hiệu suất chống ăn mòn và mài mòn, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt trong việc tiết kiệm vật liệu quý giá và giảm chi phí sản xuất.
Ví dụ: Đối với khuôn mẫu bị mòn, trục khuỷu, bộ dẫn hướng, ống lót xi lanh, vỏ, trục, ghế ổ trục, răng gầu, lớp lót và các bộ phận khác, cũng như các bộ phận của xe bánh xích, sử dụng công nghệ mạ chổi để thực hiện công việc bảo trì thường xuyên mang lại lợi ích kinh tế lớn.

Sau khi nghiên cứu các tính chất ma sát của lớp mạ crom composite kim cương nano, người ta phát hiện ra rằng việc thêm bột kim cương nano vào lớp mạ composite có thể hình thành một lớp mạ composite đồng nhất và dày đặc.
Việc thêm bột kim cương nano có thể tinh chế kích thước hạt của lớp mạ, đóng vai trò khuếch tán và cải thiện độ cứng của lớp mạ crom composite. Trong điều kiện bôi trơn bằng dầu, việc thêm bột kim cương nano cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của lớp mạ, và kết quả tốt nhất đạt được khi độ dày lớp mạ là 27 μm, với khả năng chống mài mòn tăng gấp 12 lần so với lớp mạ crom tinh khiết.

Mạ nano composite là một kỹ thuật lắng đọng mà trong đó các hạt kim cương nano không hòa tan được thêm vào dung dịch mạ để tạo thành một hỗn hợp đồng nhất. Các hạt rắn được đồng lắng đọng với các ion kim loại để thu được lớp mạ composite.
Các hạt nano được phân tán hoàn toàn thông qua công nghệ hỗn hợp, và lớp phủ composite kim cương nano thu được có các đặc tính xuất sắc như khả năng chống mài mòn cao và giảm ma sát. Độ cứng của lớp mạ kim cương nano composite có thể đạt tới HV700~1100, và khả năng chống mài mòn vượt trội hơn Cr15, lớp mạ niken thông thường và lớp mạ composite kim cương micron.
Hệ số ma sát chỉ bằng một phần ba so với lớp mạ thông thường. Nó có hiệu ứng tự bôi trơn độc đáo, và tuổi thọ chống mài mòn có thể tăng từ 2-5 lần. Công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi trong xử lý bề mặt các bộ phận chịu mài mòn chính xác trong các ngành công nghiệp khác nhau, thay thế các quy trình mạ crom, mạ niken và các quy trình khác ban đầu.

 

Bảng 1: Kết quả thí nghiệm của các mũi khoan phủ crom chứa kim cương nano

Đường kính mũi khoan / mm	Loại kim loại cần gia công	Hệ số tăng (hiệu quả sử dụng)
0. 8～1. 2	Tấm vải thủy tinh	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	Tấm vải thủy tinh	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	Thép	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	Thép	2. 0
6. 0～10. 0	Thép không gỉ	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	Thép	1. 5～1. 8
10. 0	Thép không gỉ	1. 9
20. 0	Đúc sắt	6. 0～8. 0

 

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm của các khuôn ép phủ crom-kim cương

Tuổi thọ tương đối so với nitriding, carburizing, mạ crom và các công cụ thép đặc biệt.

Bảng 3: Công cụ dập phủ crom-kim cương (Khuôn âm, Khuôn dương)

Kết quả thí nghiệm trong quá trình dập tấm

Quy trình làm việc	Vật liệu gia công	Hệ số tăng (hiệu quả sử dụng)
Cold extrusion	Steel, Copper, Aluminum	1. 6～1. 82. 0～3. 0
blanking	Glass Cloth Sheet Brass	1. 6～2. 42. 0～4. 0
stretch molding	Brass Plated Steel	2. 8～3. 0.1 4～1. 8

 

（2）Chất bôi trơn chứa kim cương nano

Kim cương nano trong dầu bôi trơn mang lại hiệu ứng kỳ lạ vượt xa mong đợi của nhiều người. Nó không chỉ được sử dụng trong sản xuất dầu động cơ mà còn để sản xuất dầu bánh răng trục vít, dầu bánh răng, dầu thủy lực, dầu bơm chân không, dầu máy móc tốc độ cao, dầu máy công cụ, v.v.

(1) Cải thiện chất lượng và tính cạnh tranh của sản phẩm; tăng tuổi thọ làm việc của phương tiện vận chuyển và thiết bị; tiết kiệm vật liệu bôi trơn.

(2) Động lượng ma sát giảm từ 20% đến 40%.

(3) Độ mài mòn bề mặt ma sát giảm từ 30% đến 40%.

(4) Sự tương hợp nhanh chóng của cặp ma sát.

Tiêu thụ đơn vị kim cương nano: 0,01～0,20 kg trong 1000 kg dầu bôi trơn. Năm 2002, Trung Quốc tiêu thụ khoảng 4,0×106 tấn dầu bôi trơn, với doanh số lên đến hàng chục tỷ đô la và tăng với tốc độ 10% mỗi năm.
Việc tận dụng các đặc tính của kim cương nano để nghiên cứu và phát triển dầu chạy thử động cơ đốt trong chuyên dụng hiệu quả cao đã được kiểm tra bằng các chỉ số vật lý và hóa học trong phòng thí nghiệm cũng như thử nghiệm trên động cơ, chứng minh rằng nó có thể rút ngắn thời gian đáng kể, cải thiện chất lượng chạy thử, nâng cao khả năng chống mài mòn của các bề mặt tiếp xúc của động cơ, và kéo dài tuổi thọ của động cơ, thực hiện sự kết hợp hữu cơ giữa chạy thử động cơ và cải thiện bề mặt.

Hiện nay, chất bôi trơn kim loại thường được sử dụng để mài sơ bộ bề mặt ma sát phụ nhằm truyền các đặc tính chống mài mòn của chất bôi trơn kim loại lên bề mặt ma sát phụ.
Dữ liệu thí nghiệm đã chứng minh rằng chất bôi trơn kim loại chứa bột kim cương nano tinh thể có thể giảm hao mòn từ 1,7 đến 2,0 lần, rút ngắn thời gian chạy thử từ 1,5 đến 2,4 lần, và giảm hệ số ma sát từ 1,25 đến 2,0 lần.

（3）New wear-resistant materials containing nano diamonds

Năm 1992, Yashchenko ở Hoa Kỳ đã sử dụng công nghệ luyện kim bột để tạo ra một vật liệu chống mài mòn mới. Vật liệu này là sự kết hợp giữa bột đồng-kẽm và đồng-thiếc với bột nano-amalgamite theo một tỷ lệ nhất định, sau đó được nén chặt và nung trong môi trường hydro để sản xuất.
Vật liệu mới này có thể được sử dụng để chế tạo lớp lót xi lanh động cơ đốt trong và các bộ phận bushing trong các thiết bị truyền động, cũng như để chế tạo vòng bi trượt, v.v. Nhờ chứa bột kim cương nano có hệ số ma sát thấp và độ dẫn nhiệt cao, vật liệu này có khả năng chống trầy xước và chống mài mòn rất cao.

Chất sửa chữa kim loại được chế tạo từ kim cương nano đã được thử nghiệm và chứng minh có thể tăng độ bền kéo lên 71,98%, độ bền xoắn lên 19,75%, và khả năng chống mài mòn lên 154,82%.

Các báo cáo nước ngoài cho biết, vật liệu nano có thể được sử dụng trong thân máy bay và tàu thuyền, cánh và bề mặt thân tàu của lớp phủ silicon hữu cơ, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn, chịu sương giá, nhiệt độ, chống lão hóa, đồng thời cải thiện tính đàn hồi, độ bền gãy và độ bền xé.
Nhờ đó, tuổi thọ của lớp phủ bề mặt có thể tăng từ 1,5 đến 2,0 lần, với chi phí chỉ tăng từ 1% đến 2%.

Vật liệu composite kim cương nano

Cao su flo và cao su butadien được cải tiến bằng cách sử dụng các sản phẩm tinh chế hoặc sản phẩm tổng hợp sau vụ nổ (kim cương nano đen và xám).
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù bột đen nổ có thể cải thiện độ cứng của cao su, nhưng độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt lại giảm đi. Việc bổ sung bột kim cương nano xám vào fluoroelastomer làm tăng chỉ số hiệu suất tổng thể của cao su. Điều này là do bột kim cương nano xám chứa các nhóm chức như nhóm hydroxyl, nhóm carboxyl, nhóm methyl, v.v., làm tăng hoạt tính liên kết với các polyme và do đó cải thiện các chỉ số hiệu suất như tính năng kéo, độ cứng và khả năng chống mài mòn của cao su.

Các nghiên cứu của các học giả Nga đã chỉ ra rằng việc bổ sung kim cương nano vào màng flo làm tăng khả năng chống mài mòn lên gấp đôi.
Sau khi thêm kim cương nano vào cao su polyisoprene được sử dụng trong lốp xe, khả năng chống mài mòn, độ giãn dài, làm chậm quá trình lão hóa và các đặc tính khác tăng từ 1,3 đến 1,7 lần. Khả năng chống rách ở nhiệt độ cao được cải thiện đáng kể, và độ bền phá vỡ của lốp (từ 53 MPa lên 154 MPa) được tăng lên.
Cao su silicon chứa bột đen làm tăng độ bền gãy trong chiều dài tuyệt đối lên khoảng ba lần từ 53 MPa lên 154 MPa, độ bền đàn hồi tổng hợp tăng từ 3 đến 5 lần, và mô đun đàn hồi tối đa tương ứng với hàm lượng bột đen khoảng 0,6% theo trọng lượng. Trong thành phần cao su flo chứa bột đen, khả năng chống mài mòn tăng từ 1,5 đến 2 lần, tương tự như cao su polyisoprene.

Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc sử dụng kim cương nano tinh thể hoặc bột đen làm chất độn trong các sản phẩm cao su hoặc nhựa có chức năng mạnh, và đều được thêm vào ở mức độ thấp, với lượng bổ sung thường dưới 1%.
Việc thay thế 1-3% (theo trọng lượng) của chất độn carbon thông thường bằng cùng một trọng lượng bột đen nano hợp kim trong quá trình chế biến cao su có thể kéo dài tuổi thọ (quãng đường đi) của lốp ô tô cao su isoprene không phân cực lên 30%, và tăng tuổi thọ của các chi tiết cao su như vòng đệm từ 30-100%.
Đồng thời, việc bổ sung kim cương nano tinh thể làm giảm độ rỗng, giảm lượng năng lượng cần thiết cho việc trộn từ 5-7%, và giảm bong bóng khí, mảnh vụn, cũng như sự bám dính trên bề mặt, giúp việc tháo khuôn dễ dàng hơn.

 

Các tác dụng của việc cải tiến nhựa bằng bột kim cương nano đen và bột kim cương nano xám như sau:

(1) Các tính chất oxy hóa nhiệt của các composite bột đen chưa được cải tiến trong không khí đã được cải thiện.
Nhiệt độ phân hủy nhiệt của các composite HDPE và LLDPE chứa 05% bột đen tăng lần lượt lên 9°C và 5°C so với các chất nền tinh khiết

(2) Độ bền kéo của các composite thu được từ việc bổ sung bột đen chưa được cải tiến vào polymer không thay đổi nhiều, nhưng giảm ở mức bổ sung cao hơn. Độ bền kéo được cải thiện khi bổ sung bột đen đã được cải tiến.
Độ bền va đập của composite chứa bột đen giảm bất kể bột đen có được cải tiến hay không. Các tính chất ma sát và chống mài mòn của vật liệu composite tăng lên cùng với lượng bột đen được thêm vào.
Tóm lại, lượng bột đen tối ưu cho HDPE được cho là 0,5%, và lượng bổ sung tối ưu cho LLDPE được cho là nằm trong khoảng từ 0,3% đến 0,5%.

(3) Composite HDPE chứa 0,05% bột đen, khi tải thử nghiệm dưới 2kg, hiệu suất ma sát và mài mòn không bị ảnh hưởng nhiều bởi tải trọng. Tuy nhiên, khi vượt quá 2,5kg, hiệu suất ma sát và mài mòn giảm đáng kể.
Composite LDLPE chứa 0,5% bột đen, khi tải thử nghiệm dưới 10kg, hiệu suất ma sát và mài mòn không bị ảnh hưởng nhiều bởi tải trọng. Tuy nhiên, khi vượt quá 10kg, hiệu suất ma sát và mài mòn giảm đáng kể.

(
4) Khả năng phân tán và tương thích của bột đen kim cương nano chưa được cải tiến hoặc bột xám kim cương nano trong PP tốt hơn.
Việc bổ sung bột đen kim cương nano hoặc bột xám kim cương nano làm tăng độ kết tinh của tinh thể trạng thái α trong PP, nhưng không dẫn đến sự hình thành các loại tinh thể khác. PP chứa 0,06% bột đen kim cương nano hoặc 0,06% bột xám kim cương nano làm tăng độ kết tinh lần lượt lên T16,74% và 25,83% so với chất nền.
Độ bền kéo của các composite PP tăng khi tăng hàm lượng chất độn, trong khi độ bền va đập giảm đi. Do tác động kép của các gốc tự do lên vùng tinh thể của chất nền PP và vùng vô định hình, độ bền va đập của các composite PP dao động khi tăng hàm lượng hạt nano, và giá trị tối đa xảy ra ở khoảng 0,06% hàm lượng bổ sung. Hiệu quả cải thiện của bột xám kim cương nano đối với các đặc tính của PP tốt hơn so với bột đen kim cương nano.

(5) Việc bổ sung bột xám kim cương nano vào keo epoxy nhựa làm tăng độ bền chống phá vỡ lên gấp 2-2,5 lần.

Có câu hỏi nào không?
Liên hệ HonWay