奈米金刚石黑粉(单多晶混合)

奈米金刚石黑粉(单多晶混合)

 

纳米金刚石 在机械行业的应用

（1） 奈米金刚石 复合镀覆

纳米金刚石 复合镀覆技术是产品制造的关键技术之一。 通过表面镀覆， 可使产品表面得到成分、 组织可控的保护镀层， 显著提高产品的使用寿命和可靠性。 如： 使用环境比较恶劣的海洋平台、 大型露天矿开采、 冶金石化生产设备， 采用长效复合保护， 可在5~10年的使用期间内部产生锈蚀； 机械行业使用量大面广的刀具、 模具、泵类、 轴类、 阀门， 经过表面强化后， 使用寿命可提高3~5倍。

纳米金刚石 复合镀覆技术是优质、 高效、 节能、 节材、 环保和提高经济效益的有效手段。 统计表明， 机械制造中约有1/3的能源直接或间接的消耗于磨损、 磨蚀引起的损失， 世界钢产量的1/10损耗于锈蚀与其他腐蚀， 腐蚀与磨损给国民经济造成的损失惊人， 根据英、 美等国调查， 国民经济总产值2%~4%因腐蚀而损失， 我国每年由于腐蚀造成的损失至少在400亿元以上， 据调查我国27个省市约400个机械工业企业， 每年因腐蚀损失116亿元。 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， 而金属电镀是解决这一技术难题的途径之一。

近年来，金刚石用于复合镀层的高硬度和耐蚀性日益受到关注。 但由于一般的金刚石颗粒为微米级或亚微米级， 颗粒较粗， 得到的镀层组织难以满足精密仪器、 高光洁度表面、 精细加工和更高的耐磨性等要求。 随着 纳米金刚石 生产技术的飞速发展， 特别是2 ～12 nm 金刚石的出现， 采用 奈米钻石 形成复合镀层有望弥补这一不足。 电刷镀技术是近年来在电镀技术的基础上发展起来的一种新型表面改性技术， 能解决一些其它技术难以解决的机械零部件修复的问题。 中科院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室与兰州大学材料系合作， 对含 纳米金刚石 的复合镍刷镀层的摩擦学特性进行了研究， 结果显示， 该镀层具有极好的减摩耐磨性能， 在试验范围内， 其减摩耐磨性能随着 纳米金刚石 黑粉含量的增加而提高。

我国目前年产30 多亿只气缸， 主要配套用于汽车、 摩托、 家电、 矿山机械、 纺织机械、 船舶制造和精密机床仪表、 军工等产业， 急需纳米复合电镀工艺升级。 另外， 我国模具和塑胶、 玻璃的装饰镀的市场巨大， 据粗略计算， 如果电镀表面达3.0×108 m2 ， 电镀层厚度按5 μm 计算， 每平方米需用奈米钻石0.2 g， 则纳米金刚石-金属复合镀添加剂所需奈米钻石将达到6.0×105 kg。 纳米金刚石复合电镀前景广阔。

采用有效防护手段， 至少可减少腐蚀损失15%~35%， 减少磨损损失1/3左右。 此外， 由于表面镀层很薄， 往往用极少的材料进行表面镀覆和改性就能明显提高耐蚀耐磨等性能， 对节约贵重材料， 降低制造成本具有明显经济效益。 例如， 对磨损了的模具、 曲轴、 导轨、 缸套、 箱体、 轴类、 轴承座、 斗齿、 衬板等零件以及履带车辆零件， 均利用电刷镀技术开展正常维修工作， 具有极大的经济效益。

研究了 纳米金刚石 复合镀铬层的摩擦学性能后发现， 复合镀层中加入纳米金刚石粉， 可以形成均匀致密的复合电镀层。 纳米金刚石粉的加入可以使镀层晶粒细化， 起弥散强化作用， 提高了复合镀铬层的硬度。 在油润滑条件下， 纳米金刚石 粉的加入可以显著提高镀层的耐磨性， 并且镀层厚度为27μm时效果最佳， 耐磨性比纯镀铬层提高了12倍。

纳米复合镀技术是不溶性的 纳米金刚石 固体颗粒加入到镀液中， 形成均匀悬浮液， 使固体颗粒与金属离子共沉积而获得复合镀层的一种沉积技术。 运用悬浮技术使纳米颗粒充分分散， 所获得的纳米金刚石复合镀层具有高的耐磨性和减摩性等优异性能。 奈米钻石 复合镀层硬度可达HV700～1100, 耐磨性优于Cr15、 普通镀镍层和微米金刚石复合镀层。 摩擦系数仅为普通镀层的三分之一。 具有独特的自润滑效果， 耐磨寿命可提高2-5倍。 可广泛应用于各行业精密耐磨件的表面处理， 代替原有镀铬、 镀镍等工艺。 应用效果见表1-表3

表1 含纳米级金刚石的铬镀层钻头实验结果

鑽頭直徑/ mm	被加工金屬種類	提高倍數(使用效果)
0. 8～1. 2	玻璃胶布板	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	玻璃胶布板	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	钢	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	钢	2. 0
6. 0～10. 0	不锈钢	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	钢	1. 5～1. 8
10. 0	不锈钢	1. 9
20. 0	铸铁	6. 0～8. 0

 

表2 铬纳米级金刚石镀层压制模具的实验结果

与渗氮、 渗碳、 镀铬强化及采用特殊钢的工具比较， 相对寿命。

表3 鉻鑽石镀层冲压工具(陰模、陽模)

在板材冲压时的实验结果

工序	被加工材料	提高倍数(使用效果)
冷挤压	钢铜、铝	1. 6～1. 82. 0～3. 0
冲裁	玻璃胶布板黄铜	1. 6～2. 42. 0～4. 0
拉伸成形	鍍黃銅鋼	2. 8～3. 0.1 4～1. 8

 

（2）含 纳米金刚石 的润滑剂

纳米金刚石 在润滑油中的奇特功效出乎许多人的预料， 它不仅用于制作发动机油， 亦可制作蜗杆油、 齿轮油、 液压油、 真空泵油、 高速机械油、 机床油等。近来的研究表明， 纳米金刚石添加到润滑油中显现出以下优越性：

⑴提高产品的品质和竞争能力； 提高运输工具和装置的工作寿命；节约润滑油材料。

⑵摩擦动量降低20%～ 40%。

⑶摩擦面磨损减少30% ～ 40%。

⑷摩擦副的快速磨合。

纳米金刚石的单位消耗:1000 kg润滑油中添加0.01 ～ 0.20 kg。 2002年我国消耗润滑油约4.0×106吨， 销售额几百亿元， 且以每年10%的速度递增。 利用纳米金刚石的特性， 研制开发的高效专用内燃机磨合油， 经过实验室理化指标测试和发动机实车台架试验， 证明能显著缩短时间、 提高磨合品质、 改善发动机配合副表面耐磨性能、 延长发动机使用寿命 实现了发动机磨合与表面改性有机结合。

目前常用金属润滑剂预磨摩擦副表面， 把金属润滑剂的抗磨性赋予摩擦副表面。 实验资料证明含纳米金刚石粉末的金属润滑剂能将磨损度降低1.7～2.0倍， 使磨合时间缩短1.5～2.4倍 ， 摩擦系数减少1.25～2.0倍。

（3）含 纳米金刚石 的新型耐磨材料

1992年美国的 Yashchenko等人用粉末冶金法制成了一种新型抗磨材料， 这种材料是把铜锌和铜锡粉末与纳米金刚石粉末按一定比例混合经压实， 然后在氢气中烧结制成的。 这种新型材料可用于内燃机缸套和其他传动机械的衬套制造， 也可用于制造滑动轴承等， 由于这种新材料含有摩擦系数小、 热传导率高的纳米级金刚石粉末， 所以具有高的抗划痕性和耐磨性。

用纳米金刚石制造的金属修补剂， 经实验测定， 抗拉强度提高71.98%， 扭转强度提高19.75%， 耐磨性提高154.82%。

国外有报导提到纳米金刚石可以应用于飞机和舰船的机身、 机翼及船体表面的有机矽涂层， 可以增强涂层的防腐、 防冻、 耐温、 耐老化性能， 提高弹性、 断裂强度及撕裂强度等， 使其表面涂层的使用寿命提高1.5 ～ 2.0 倍， 而其成本只增加1% ～ 2%。

纳米金刚石 複合材料

采用提纯前后的爆轰合成产品(纳米金刚石黑粉和灰粉)对氟橡胶和丁睛橡胶进行改性。 研究表明， 爆轰黑粉虽然可以提高橡胶硬度， 但拉伸强度和扯断伸长率反而下降。纳米金刚石灰粉添加到氟橡胶中， 橡胶的综合性能指标上升。 这是因为， 奈米钻石灰粉含有轻基、 羧基、 甲基等官能团， 增强了与聚合物键合的活性， 从而提高橡胶的拉伸性能、 硬度、 耐磨性等性能指标。

俄罗斯学者的研究表明， 氟薄膜加入纳米金刚石后， 抗磨损能力提高1倍。 用于轮胎的聚异戊二稀橡胶加入纳米金刚石后， 耐磨性、 延伸率、 减缓老化过程等性能提高1.3一1.7倍， 高温抗撕裂性能显著改善， 轮胎抗爆裂强度（从53 MPa提高到154 MPa）。 用黑粉填充矽橡胶， 使断裂强度在绝对长度增加约三倍时从53MPa提高到154MPa， 综合弹性强度增加3一5倍， 其临界和最大的弹性模量相应于黑粉含量约0.6%(重量)； 在氟橡胶组分中填充黑粉， 使磨蚀磨损抵抗力提高1.5一2倍， 与聚异戊二烯橡胶相近。

目前， 大多研究都集中在以纳米金刚石或黑粉作为填充剂填充功能性较强的橡胶或塑胶制品， 并且均为低填充， 其添加量一般都小于1%。 在橡胶加工过程中， 用纳米金刚石黑粉以同样的重量取代1~3%(重量百分比)的传统碳填充剂， 可使非极性的异戊二烯橡胶汽车轮胎使用寿命(里程)延长30%， 而轴衬等橡胶工件的寿命则可以提高30~100%。 同时， 由于纳米金刚石的加入减少了孔隙率， 混样所需功率减少5~7%， 且可减少表面产生气泡、 碎屑、 粘附， 更易脱模。

 

纳米金刚石黑粉和奈米钻石灰粉改性塑胶效果如下：

（1）未改性黑粉后的复合材料在空气中的热氧化性能得到了提高填充了05%黑粉后的HDPE、 LLDPE复合材料分别比纯基体的热分解温度提高了9℃和5℃。

（2）未改性黑粉填充高聚物， 得到的复合材料的拉伸强度变化不大， 在较高填充量时发生了下降。 改性黑粉填充后， 拉伸强度得到了提高。 不管是未改性还是改性黑粉， 填充后的复合材料其冲击强度都下降。 复合材料的摩擦磨损性能随着黑粉用量的增加而提高。 综合考虑， 认为黑粉对于HDPE最佳填充量为0.5%， 对于LLDPE的较佳填充量范围为0.3%一0.5%。

（3）填充了.05%黑粉的HDPE复合材料， 在试验载荷低于2kg时， 摩擦磨损性能受载荷的影响变化不大， 超过2k5g时， 摩擦磨损性能显著变差; 填充了0.5%黑粉的LDLPE复合材料， 在试验载荷低于10kg时， 摩擦磨损性能受载荷的影响不大， 超过10kg时摩擦磨损性能显著变差。

（4）未经改性的的纳米金刚石黑粉或纳米金刚石灰粉在PP中的分散性和相容性均较好。 添加纳米金刚石黑粉或纳米金刚石灰粉后提高了PP的a态晶的结晶度， 但没有导致其它晶型的产生。 添加0.06%纳米金刚石黑粉或0.06%纳米金刚石灰粉的PP与基体相比， 结晶度分别提高T16.74%和25.83%。 PP基复合材料的拉伸强度随填充剂含量的增加而提高， 冲击强度则下降。 由于自由基对PP基体晶区的诱导结晶和对非晶区的诱导取向的双重作用， 使得PP基复合材料的冲击强度随着纳米粒子含量的增加出现波动， 并在填充量0.06%左右出现最大值。纳米金刚石灰粉对PP性能的改善效果要优于纳米金刚石黑粉。

（5）环氧树脂粘合剂中加入纳米金刚石灰粉后， 抗断裂强度提高2一2.5倍。

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