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郑州华晶金刚石股份有限公司

深度解析纳米金刚石的应用价值

关键词 纳米金刚石 , 应用|2018-07-10 09:48:59|来源 DT新材料
摘要 从材料形态和质量上看,金刚石需要经历低品质的微粉,到高品质、完美结构的纳米尺寸和宝石级尺寸,单晶和多晶共同发展,最后还有各种掺杂以满足功能性需求,简单来说朝着微观和宏观双向发展,最...

        从材料形态和质量上看,金刚石需要经历低品质的微粉,到高品质、完美结构的纳米尺寸和宝石级尺寸,单晶和多晶共同发展,最后还有各种掺杂以满足功能性需求,简单来说朝着微观和宏观双向发展,最终实现功能化。目前纳米金刚石的可控制备,功能化改性及应用就是一个热点,今天给大家聊一聊纳米金刚石的应用。


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        纳米金刚石简介

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纳米金刚石TEM照片及溶液

        纳米金刚石指的是粒径在1~100nm的金刚石晶粒存在形态,其兼有金刚石、纳米材料的特性,例如高硬度、高耐腐蚀性、高热导率、低摩擦系数、低表面粗糙度、大的比表面积、生物相容性、高的表面活性等,具体如下。物质进入纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中可忽略的物理效应,如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。

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纳米金刚石的典型特点

        根据其存在形式,纳米金刚石可以分为单分散的纳米金刚石粒子和纳米金刚石多晶两类。纳米金刚石粒子可以看作由块材金刚石切割出的纳米尺寸的金刚石团簇;纳米金刚石聚晶分为聚晶颗粒和膜两种存在形式。

        从空间尺度分类,纳米金刚石分为纳米金刚石膜、一维金刚石纳米棒和二维金刚石纳米片,三维纳米金刚石聚晶颗粒以及零维纳米金刚石单晶颗粒。

        纳米金刚石颗粒的合成方法主要有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种,都已应用于工业化生产。

        爆轰法合成纳米金刚石生产效率相对较高,其原理是通过爆炸时产生的高温高压将爆炸体系的碳元素转变为金刚石。用该方法制备得到热力学稳定的含纳米金刚石的黑粉。黑粉经特殊工艺处理后得灰色的纳米金刚石粉,其回收率约为所用炸药质量的8~10%,金刚石颗粒粒径为5~10nm,经过化学提纯可得到纯度约95~97%。

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大赛璐纳米金刚石爆轰法合成路线

        此外金刚石薄膜或涂层根据可以颗粒大小分为微米级和纳米级,其中纳米金刚石薄膜是利用CVD方法生长出的纳米级晶粒组成的金刚石膜,其制备参数与传统微米尺度金刚石薄膜不同,是通过金刚石的二次成核,获得致密的、晶粒尺寸为纳米级的金刚石薄膜。这种薄膜光滑、致密、无孔,是制备生物传感器以及生物医学仪器的关键材料。

        对纳米金刚石表面上的氧官能团或sp2碳原子,通过化学反应包括官能团变换和替换团转移,可以提高对各种媒体的分散性或可以增加新的功能。活用金刚石的特性,并控制具有大表面积的纳米微粒表面化学,纳米金刚石有望用于各个领域。

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大赛璐对纳米金刚石表面化学性质的控制

        纳米金刚石的应用

        纳米金刚石的独特性质使其在精密抛光和润滑、化工催化、复合镀层、高性能金属基复合材料、化学分析及生物医药等领域得到了广泛的应用,并展现出良好的应用前景。

超精密抛光

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        纳米金刚石抛光膏和悬浮液用于半导体硅片、计算机磁头、无线电、医学、机械制造、宝石等行业,对材料进行精密抛光。其优点是可在任何固体上获得镜面效果,表面粗糙度值Ra可达2~8nm。爆轰法合成的纳米金刚石粒径分布很窄(2~20nm),用分布很窄的纳米粒子作磨料进行抛光或研磨,可得到表面粗糙度值Ra为0.1~1.0nm的超光滑表面。例如近年来计算机磁盘与磁头间隙越来越小,已趋近于10nm,磁头和磁盘的表面粗糙度、划痕和杂质粒子均会对计算机磁盘造成损害,由于磁盘与磁头的间距已经到了纳米级,微米级的抛光液已经达不到抛光要求,需要采用纳米级的金刚石抛光液满足这一方面的需求。

机械润滑剂

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        润滑油中加入纳米金刚石,使滑动摩擦变成滚动摩擦,摩擦副表面逐渐改性,形成又硬又滑的金属碳化物,其减摩抗磨效果是用有机化工方法无法比拟的,可提高发动机和传动装置工作寿命,节约燃油机油,降低表面磨损等。纳米金刚石具有强共价键和强烈的亲油疏水特性,可以在各类润滑油中形成稳定分散的胶体体系,从而将纳米金刚石粒子引入摩擦副之间,起到显著的减摩耐磨作用。同时,由于纳米金刚石良好的抗压性能和修复功能,可以充分发挥其协同增效作用和润滑油添加剂之间的相互作用,研制出耐磨性能优异的复合润滑油和添加剂。目前,纳米金刚石在该领域的应用比较成熟,市场上会经常看到相关的产品。

工业催化

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        纳米金刚石比表面积大,具有大量的结构缺陷,化学活性高,尤其是表面做出功能化改性以后,可以赋予多种官能团,适于用作催化剂载体,提高催化效率,这也是碳基催化材料的一个代表。

构件材料及复合镀层

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        纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性,可将其用来制造增强橡胶、增强树脂,该应用在提高材料热导率,聚合物降解温度、强度和耐磨性等方面作用明显,使纳米金刚石在新型复合材料领域具有广阔的开发前景。如代替炭黑用在橡胶中,能使其强度提高1~4倍,明显改善其耐磨性和密封性。

        此外还可以增强金属材料,如纳米金刚石复合镀层和弥散强化型金属材料。纳米复合镀技术是在电解质溶液中加入不溶性纳米颗粒,使金属离子被还原的同时,将纳米颗粒弥散分布于金属镀层的方法。复合镀层能有效提高镀层与基体之间的结合强度,纳米金刚石复合镀层具有超硬、高耐磨、耐热防腐的性能,可用于金属表面和橡胶、塑料、玻璃等表面的涂覆。纳米复合镀基体主要有镍、铜、钴等,含纳米金刚石的复合镀镍层用作磁盘或磁头耐磨保护层与普通镀层相比,其硬度增加了50%,耐磨性能增加的更显著。比较出名的是纳米金刚石复合涂层做的拉丝模,其生产效率及产品质量得到明显的提高。

防护涂层

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        纳米金刚石薄膜在光学性质方面有许多优异性能,不仅具有良好的透光率、高的折射率而且有不错的耐磨性和耐化学腐蚀性。因此纳米金刚石薄膜是大部分的光学窗口比较理想的薄膜材料。加入纳米金刚石薄膜保护涂层的光学玻璃可以大幅提高光学玻璃在极端条件下抗雨蚀,沙蚀,和抗划伤能力,甚至在高温,辐射环境当中也能起到保护效果,如导弹的整流罩可以使用纳米金刚石薄膜起到保护作用。此外纳米金刚石薄膜也具有优异的电化学性能,介电损耗非常低,因此也可以作为高功率微波管窗口。由此来看,纳米金刚石薄膜无疑成为了微波制导、红外制导等导弹引导方面发展方向上非常好的选择。

涂料添加剂

        将纳米金刚石分散到多种涂料中均可使其性能得到明显改善。纳米金刚石的加入不仅增加涂料的显微硬度,更加耐冲击、抗擦伤,而且与基底粘接更牢固,抗腐蚀性、抗水性、热传导性均有很大提高。对于柔性涂料,通常拉伸强度和断裂伸长率互相制约,但加入纳米金刚石后可同时大幅提高。同时纳米金刚石也可以增加涂料中树脂的性能。

电学领域

        纳米金刚石具有优异的电学性能、热导率高、禁带宽度宽、高的载流子迁移率使得其在半导体领域内的应用具有极大地潜力。与单独的硅纳米线相比,纳米金刚石薄膜具有优良的场发射性能,其场发射强度要高很多。这是由于纳米金刚石薄膜具有较小的晶粒尺寸,阈值电压较低,很容易从薄膜内发射电子。纳米金刚石薄膜的冷阴极场发射性能远比微米金刚石薄膜优异,用做制备场发射器件,不仅高效而且能大大降低制作成本和能耗。综合来看,纳米金刚石薄膜有潜力成为制备下一代平面显示器的重要材料。

生物医用

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        研究表明纳米技术与医学相互结合,可望从根本上改变治癌的医疗水平。纳米药物可能成为“精确制导导弹”,经过特殊表面改性的纳米金刚石可杀死皮肤癌细胞约70%,而对正常细胞没有毒副作用。

        纳米金刚石化学性质稳定,在氢氟酸、盐酸、硫酸中,甚至在酸的浓度很大且温度极高的情况下都没有任何反应,在强氧化剂中,高温下较长时间才会被刻蚀。加上纳米金刚石颗粒表面含有大量的含氧官能团,利用纳米金刚石作为葡萄糖氧化酶的载体可制成性能优良的血糖测定传感器。

        纳米金刚石作为一种新型的碳纳米材料,具有化学惰性、有荧光但无光致漂白、无毒性的优 势,可用于细胞标记与生物成像。它可以用于癌细胞与干细胞的标记与追踪,也可以作为与细菌或细胞相互作用的荧光探针,同时,在细胞水平上,它还可以作为生物成像的载体将生物活性物质转运到细胞内发挥作用,而且可以用于体内的生物成像。

        纳米金刚石与生物体的兼容性很好,是人造骨、人造关节的表面耐磨涂层的适宜材料,因其不粘连皮肤,可作外科敷料的内层保护膜等。在欧盟第8研发框架计划(FP7)和地平线2020的资助下,分别由法国和德国作为协调国的 NeuroCare和NDI项目,均利用纳米金刚石作为与人体交互新的媒介,有望在人工视网膜植入和磁共振成像(MRI)领域取得重要突破。

环保领域

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        由于纳米金刚石的表面原子所占比例大,原子的表面活性极强,因而它的吸附作用是很强的。在溶液中,1g纳米金刚石可吸附 50g Ni。它可有效地过滤重金属和放射性物质。对有害气体的吸附,纳米金刚石更是最有利的工具之一,甚至对放射性废水的处理效果超过传统的砂子、活性炭过滤。

        虽然纳米金刚石的性能优异,用处很多,但在小编看来,目前很多领域如生物医用及环保工程都在前期的探索中,其附加值及前景虽然很好,但需要攻关的技术太多,短期内不会有相关的产品。就产品成熟度,性价比及市场认可情况来看,比较靠谱的应用依然是超精密抛光、润滑油及复合镀层领域。

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