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| 拓展应用技术领域，促进纳米金刚石发展 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2014-12-08 10:17:23 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）纳米金刚石应用领域在不断拓宽，应用技术水平在不断提高，并展示出其诱人的应用前景。但是，应强调的是，在未来的日子里，我们对纳米金刚石的分散技术、分级技术、纯净技术与表面修饰技术要引起高度重视，因为这是一项精细的、深层的、完整的系统工程，只有解决好这些技术问题，纳米金刚石才会迎来真正意义的大发展。
1.引言
纳米金刚石早在上个世纪60年代，就已经被原苏联的科学家开发出来，美国随后也开发成功了，却因为没有工业化量产，一直未能引起人们的关注。直到2000年以后，随着爆轰技术的成熟，俄罗斯、中国、日本和欧盟都相继实现了纳米金刚石的工业化生产，再加上纳米金刚石具有单晶金刚石的所有优点和纳米材料大的比表面所带来的纳米效应，使得这种材料超乎寻常的优异性能逐渐为人们所认识，如超高的表面硬度和力学强度、优异的电绝缘性、最高的导热系数、优越的化学稳定性和生物相容性。正是这些优异的性能，使得纳米金刚石在高强、耐磨复合材料、高精密研磨抛光、纳米流体、纳米润滑和生物医药等领域具有无以替代的应用前景。
材料是基础，特性是内因，应用是动力。材料特性的多样性，决定着应用领域的多样性。我们所说的纳米金刚石包括纳米金刚石单晶、纳米金刚石多晶和纳米金刚石膜。综合现有关于纳米金刚石应用基础的研究结果可知，纳米金刚石的应用性能，主要取决于三个关键因素：金刚石的颗粒尺寸、碳原子杂化状态与表面化学特性。本文仅着重讲述有关纳米金刚石单晶与多晶方面的应用技术问题。
2.纳米金刚石的应用
2.1 在计算机磁头抛光中的应用
随着计算机工业的发展，特别是随着计算机硬磁盘密度的迅速提高，磁头/磁盘间隙已趋于10nm以下，磁头和磁盘的表面粗糙度、划痕和杂质颗粒会对计算机磁盘造成致命的危害。目前计算机磁头工业使用的微米级抛光液已不能适应其发展，因为这种抛光液抛光的计算机磁头在高倍显微镜下观察存在明显的划痕和镶嵌颗粒，抛光后的表面粗糙度Ra为0.45～0.80nm，因此急需开发新型的计算机磁头抛光液。
纳米金刚石可用作计算机磁头的超精密抛光，抛光后的磁头表面常见的划痕、镶嵌颗粒及杂质消失，表面粗糙度小于0.2nm，改善表面粗糙度50%以上。表面粗糙度的改善利于磁头镀DLC膜，提高了磁头的防腐能力和磁头抗静电击穿能力，解决了计算机磁头工业的致命危害。
2.2 纳米金刚石润滑油在工程机械中的应用
我国的工程机械使用寿命和可靠度只及发达国家的1/2～1/3，究其原因，80%是由于用油不当、润滑不佳，造成零配件过度磨损，从而使整机过早报废。如何提高工程机械的可靠度并延长它的使用寿命，已成为行业内科研攻关的重大课题。
纳米金刚石改性润滑油在工程机械中的应用，将会对工程机械行业起到举足轻重的作用。纳米金刚石润滑油成本要比市售普通润滑油增加30%左右，但它给用户所带来的实际经济效益远远高于其投入，它可提高输出功率，节约燃油和润滑油，减少磨损，大大延长设备的无故障工作时间和使用寿命，降低环境污染，从而使我国工程机械与先进国家的差距大大缩短。
2.3 在复合镀方面的应用
纳米复合材料是纳米技术在纳米应用上一个最具应用性的方面。纳米复合材料综合了其所含各组分的所有材料的优点，具有普通复合材料所不具备的优异性能，是一种全新的高技术新材料，因此，具有广阔的应用前景和巨大的商业开发价值。
(1) 聚四氟乙烯与纳米金刚石的复合
聚四氟乙烯(PTFE)具有较低的摩擦系数，良好的自润滑性和优良的耐腐蚀性能，是理想的减摩自润滑材料。但是由于聚四氟乙烯表面能极低，自身耐磨性差，因此在机械工程领域一般都以复合材料的形式使用。目前常用玻璃纤维、石墨、二硫化钼等无机增强组分对聚四氟乙烯进行填充改性，以提高其强度、耐磨性和尺寸稳定性。但是，这些填充物与聚四氟乙烯的相容性较差，常引起复合材料的摩擦系数增大，弱化聚四氟乙烯的减摩作用，因而制约了聚四氟乙烯材料的广泛应用。
乔志军等利用纳米金刚石(ND)的抗磨减摩作用和聚醚醚酮(PEEK)良好的力学和耐磨性能，通过模压烧结法制备了ND与众不同PEEK填充改性的PTFE基复合材料，研究复合材料的摩擦磨损性能和增强改性机理，指出：1.0%(质量分数)ND/20%(质量分数)PEEK/PTEE复合材料中D分布均匀，材料的减摩耐磨性能优良，与纯PTEE相比，该复合材料的摩擦系数下降约20%，耐磨性能提高120倍。
(2) Ni-P/纳米金刚石复合涂层
Hamed Mazaheri等通过制备Ni-P/纳米金刚石复合涂层，对其组织结构及耐腐蚀性能进行了研究，结果表明，金刚石纳米颗粒使镀层硬度增加，镀层结构并未发生变化，金刚石含量的不同对其耐腐蚀性和硬度影响很大。
陈哲等对纳米金刚石非晶态复合镀层的晶化转变过程及其硬度和耐腐蚀性进行研究，并与微米金刚石复合涂层的性能进行比较。结果表明，纳米金刚石复合涂层中，最佳的金刚石添加量为12g/l。复合涂层为非晶态，300℃时镀层开始晶化。随着温度的升高，镀层的显微硬度逐渐升高，到400℃达到峰值，而后因弥散相聚集长大粗化，导致硬度下降，复合镀层的耐磨性也随着硬度的变化而变化。
(3) 电刷镀纳米金刚石/镍复合镀层
纳米复合电刷镀技术是随着近些年纳米材料与科学的兴起而发展起来的，所制备的纳米复合电镀层具有优良的性能，在机械零件表面修复、强化以及防腐方面已经取得比较广泛的应用。与电镀技术相比，电刷过程中高的过电位提高了晶核的形成速率;同时，电刷镀笔在工件上的往复运动使电沉积成为一个断续结晶过程，这些将有利于得到更细晶粒的镀层。
李颖等对“电刷镀纳米金刚石/镍复合镀层纳米晶结构与摩擦性能关系研究”的结果表明，复合镀层为纳米晶结构，硬度明显比普通镍镀层要高。纳米金刚石的引入使镀层的晶粒超细化，同时纳米金刚石所具有的核壳结构在摩擦过程中起到耐磨减摩作用，因此复合镀层的耐磨性能明显高于快速镍镀层。
2.4 在冷阴极场发射显示器方面的应用
纳米金刚石的变温场发射。金刚石是近年来研究较多的一种电子场发射材料，它在某些晶向上具有负电子亲合势，有良好的化学稳定性，高硬度及高热导率等性质，作为阴极材料能满足场发射显示器低工作电压、高发射电流和高稳定性等要求。
杨延宁等研究了温度变化对沉积在钛基上的纳米金刚石场发射电流随温度和电场的升高而增大，场发射特性偏离了传统的Fowler-Nordheim理论，场发射的电流的稳定性基本上没有变化。
纳米金刚石是半导体材料，作为场发射材料温度对其场发射的影响还未见报道，研究纳米金刚石的变温场发射有可能揭示金刚石场发射机理。同时，作为显示器件，它的极限工作温度范围是一个重要的技术指标。研究金刚石的变温场发射也是探索纳米金刚石场发射显示器应用领域的基础。
近年来碳纳米管和纳米金刚石薄膜材料因突出的物理及化学性能引起了人们的广泛关注，这些性能来源于碳不同的成键结构和微观结构。碳纳米管主要由SP2杂化的碳原子组成，具有优异的电子传输性能，纳米金刚石则主要由SP3杂化的碳原子组成，具有高硬度、高化学稳定性，且表面氢化的纳米金刚石具有负电子亲和势，碳纳米管、纳米金刚石因独特的力学性能和电学性能而成为具有应用前景的场发射材料。
值得关注的是，纳米金刚石薄膜的场发射机制不同于多晶金刚石，当金刚石的晶粒尺寸减小到nm量级时，晶界处的石墨所形成的导电能力比原来增加数百倍。因此，鉴于纳米金刚石和碳纳米管在场发射的应用中都存在优缺点，设想制备出二者的复合物，扬长避短，发挥它们的协同效应，从而获得更加优异的场发射性能。
徐强等利用PECVD技术，选取不同的沉积条件和基片分别合成了纳米金刚石颗粒、碳纳米管/纳米金刚石的复合物，以及碳纳米管。通过对比它们的场发射性能得出：碳纳米管/纳米金刚石复合物的场发射性能优于纯碳纳米管和纳米金刚石颗粒。
2.6 纳米金刚石在光致发光领域的应用
美国罗切斯特大学研究人员首次在自由空间内的悬浮纳米金刚石上测量到光致发光所发出的光束。该实验利用激光将纳米金刚石固置在空中，然后用另外一束激光照射金刚石，使之以定频形式发光。
光学教授Nick Vamivakas领导这个实验项目，他说，激光势阱技术可以使100nm纳米尺寸大小的金刚石颗粒悬浮在自由空间。测量出来自金刚石缺陷的光致发光。他主持的试验中，振动系统就是被悬浮的纳米金刚石。
这种纳米结构的光学机械谐振器可用于高敏感力传感器，用来测量微芯片装置中的金属板和镜像的微小位移，并帮助人们从纳米概念上来理解摩擦力。
纳米金刚石悬浮技术要比传统的光学机械振荡器优越许多，因为这种技术不依附任何大的器件结构，从而更容易散热，而且敏感不稳定的量子相干在这种系统中会更持久，相关的实验效果会更好。
纳米金刚石发射出的光来自光致发光效应，金刚石内部缺陷吸收了激光发射的光子，从而激活了整个纳米金刚石悬浮系统并改变了自旋状态;系统变得松散并开始发出光子。
之前的实验已经证明金刚石氮空位中心是很好的且较稳定的单光子来源，这也是研究者选择纳米金刚石作为悬浮对象的原因。
2.7 用纳米金刚石制作耐磨和减磨材料
(1) 纳米金刚石热浸技术对20Cr2Ni4A钢耐磨性的影响
渗碳技术是现阶段公认对该材料的硬度和耐磨性最有效的方法之一。但该法对提高该材料耐磨性很有限。纳米金刚石微粉热浸渗技术作为一门新型技术，工艺方便简单，设备要求不高，对环境和操作人员无危害，渗透深度可达20mm以上，淬硬性高，渗透时间短，渗透速度超过2mm/h，经处理后的表层具有较高的硬度和耐磨性。
李增荣等的研究表明：20Cr2Ni4合金钢经纳米金刚石微粉热浸渗技术处理后其表面硬度有了明显的提高;20Cr2Ni4合金钢经纳米金刚石微粉热浸渗处理后，晶粒组织有了明显的细化并出现了现在还不知名的新相和新的铁基合金，对提高其硬度和耐磨性有很大的作用;纳米金刚石微粉热浸渗技术可显著提高20Cr2Ni4合金钢的耐磨损性能，起到了减磨延寿的功效，为材料表面改性及提高易磨损零件的使用寿命提供了一条可靠的途径。
(2) 解决易磨损件的耐磨难题
山东黄金集团金凯驰纳米科技责任有限公司与北京理工大学合作开发的纳米金刚石复合镀技术已在易磨损工件上成功应用，使工件寿命达到国际先进水平。
本技术是将纳米金刚石添加在电镀液或化学镀液中，金属或非金属零件经过镀附后，在工件表面上形成一层纳米金刚石弥散分布的金属镀层，可提高镀层的耐磨性和减摩性。
应用范围包括：可代替电镀硬铬及化学镀镍，在各种易磨损零件上应用;在机械工程钢铁易磨损件应用;在配合偶件自润滑减摩件上的应用;在消减噪音上的应用;在工模具上的应用;在提高铝合金件耐磨性上的应用;在高分子材料制传动件及摩擦偶件上也可应用。
2.8 用于纳米表面工程
纳米表面工程技术作为再制造工程的关键技术，不但可以恢复零件表面尺寸和形状，而且可以显著提高其表面性能，达到对零件性能升级的目的。例如，纳米表面工程技术在发动机再制造、机床再制造及装备贵重零部件、难修复零部件的应用中，均提升了产品性能，解决了原来无法解决或难以解决的维修难题，取得了良好的经济效益和社会效益。采用纳米电刷技术再制造斯太尔发动机连杆、凸轮轴、曲轴、缸套等零件，可以显著提高零件表面性能，延长其使用寿命，并节约维修成本。
2.9 引入电化学领域
由于纳米金刚石具有较大的比表面积，且表面具有较多的结构缺陷，使得它无需掺杂就已经具有较高的导电性。基于这些特性，将纳米金刚石引入电化学领域，成为电极材料，便是一项极有意义的研究课题。
相对于传统的玻璃碳、热解石墨和其它形式的电极，金刚石类电极具有三大优势：(1) 在水溶液和非水溶液中有很宽的电势窗口和很低的背景电流;(2) 具有无可比拟的物理性能，包括高硬度、高空穴迁移率、高导热和良好的耐幅射性、耐腐蚀性;(3) 很高的化学和电化学稳定性，没有有机物和生物化合物的吸附，其电化学响应在很长时间内保持稳定。这些独到之处使之在电化学领域有着广阔的应用前景，具体包括电解分析、废水处理、能量储存和产生装置(蓄电池和燃料电池)，以及电合成过程。
3.结语与展望
尽管纳米金刚石的卓越性能和美好的应用前景已为人们所共识，然而纳米金刚石的应用开发与其工业化生产水平无法匹配，使得理论上关于纳米金刚石的卓越性能无法在实际应用中得到发挥，这就限制了纳米金刚石的应用开发，反过来也抑制了其生产技术的创新和发展，生产成本和产能也都无法实现最优化。造成这种现象的一个根本原因就是纳米金刚石的分散问题。事实上，纳米金刚石要想在已有或潜在的应用领域发挥最大的性能优势，关键在于其纳米级的颗粒分散。
纳米金刚石虽然有许多优点及广泛的应用领域，但是其比表面积大、比表面能高、处于热力学的不稳定状态，容易发生团聚，使得其作为纳米粉体的优良性能无法发挥。如前所说颗粒团聚问题没有得到解决，这也是纳米金刚石诞生20多年来一直未能大量应用的重要原因之一。因此，如何有效地对纳米金刚石进行表面处理，来改善其在介质中的分散性，并增强其稳定性是一个急待解决的关键性问题。近年来，国内外研究人员对纳米金刚石的表面处理技术也进行了许多探索。
纳米金刚石兼具卓越的物理特性和非凡的纳米效应，因此具有诸多的电化学特性，使之在电化学领域具有广阔的应用前景。但同时纳米金刚石的电化学活性较差，导电能力不强，这无疑制约了它在电化学领域王的发展与应用。对纳米金刚石进行表面修饰是解决该问题的有效途径。
总之，我们对纳米金刚石的分散技术、分级技术、纯净技术与表面修饰技术要引起高度重视，因为这是一项精细的、深层的、完整的系统工程，只有解决好这些技术问题，纳米金刚石才会迎来真正意义上的大发展。
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