浅析纳米金刚石在功能材料领域中的应用论文

时间:2018-08-10 08:39:21 材料毕业论文 我要投稿

浅析纳米金刚石在功能材料领域中的应用论文

  新材料的研发是我国重点发展的高新技术领域之一,而纳米材料又是其中的佼佼者。据权威机构推测,2010年全世界纳米材料市场规模已超过2000亿美元。随着国际科技进步及工业向高精尖发展,纳米技术已成各国竞相发展的重要领域之一。其中,碳纳米材料由于其独特的理化性质,近年来在纳米科学及纳米技术的发展中得到了广泛的关注。其应用范围从起初的涂料、润滑油、聚合物添加剂、电子器件、传感器和电化学领域扩展到了生物医学领域。目前已有的研究表明,纳米金刚石可用于生物标签、生物成像、药物传输、基因治疗、癌症诊断与治疗等生物医学领域。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、高的表面活性等。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;纳米金刚石聚晶有聚晶颗粒和膜两种存在形式。纳米金刚石粉的比表面积为300~400m2/g,还有大量的结构缺陷和表面官能团等,这些性能使得其在开发具有特殊性能的新材料方面有较大的潜力。

浅析纳米金刚石在功能材料领域中的应用论文

  以上优异性能使得纳米金刚石除作为传统机械加工的精密抛光及润滑用材料以外,在化工催化及生物医学上展现出了良好的应用前景。但纳米金刚石的团聚及除杂问题是制约纳米金刚石使用的两大难题。

  1 纳米金刚石的制备和特性

  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。晶粒尺寸小于10nm的金刚石膜又称为超纳米金刚石膜,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。一维金刚石纳米棒或金刚石纳米纤维可以通过氢等离子体长时间处理碳纳米管来获得。二维金刚石纳米片可在Au–Ge合金和纳米金刚石膜基底上通过微波等离子体CVD 法制备,其厚度约10nm。金刚石纳米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%的DND。

  对于平均粒度尺寸5nm 的纳米金刚石颗粒,表面碳原子数(N 表面)与颗粒的总碳原子数(N 总)之比约为15%,导致金刚石表面碳原子空间对称性的破坏以及晶格间距的变化。纳米金刚石的性质与大尺寸金刚石单晶不同。根据高分辨透射电子显微镜观察,纳米金刚石颗粒内部核由金刚石结构碳原子规则排列,而在颗粒外壳区域为类金刚石或类石墨的无序结构。

  2 纳米金刚石的应用

  纳米金刚石在强度、硬度、导热性、纳米效应、重金属杂质、生物相容性等方面具有的独特性能,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。

  2.1 超精密抛光和润滑

  纳米金刚石抛光膏和悬浮液用于电子、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。润滑油中加入纳米金刚石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。油中加入纳米金刚石后,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。台架实验表明:在EQ6100–1型汽油机上使用纳米金刚石发动机油后,输出功率平均提高4.2%,最高可达6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%,最高可达10.3%;气缸压力提高28.9%;怠速转速提高10.2%;发动机怠速碳氢化物排放降低60%;氮氧化物排放降低20.5%。总之,发动机动力性、经济性和排放性均有较大改善;气缸密封性提高,且具有较好的减摩效果;对发动机具有免拆卸清洗功能;冬季更易点火,发动机油的使用周期成倍延长。纳米金刚石磨合油可使发动机的磨合时间缩短30%~50%,汽缸压力提高7%~10%,缸套硬度增加10%~20%,粗糙度明显改善,磨合油使用周期大大延长。目前,纳米金刚石在该领域的应用比较成熟,除了上述在发动机油中可明显减少尾气排放外,还可有效地过滤重金属和放射性物质。在溶液中,1g纳米金刚石可吸附50g Ni。润滑油使用周期延长不仅提高了用户的经济效益,其本身就是对环保的巨大贡献。

  2.2 工业催化

  爆轰法合成的纳米金刚石比表面积大,具有大量的结构缺陷,化学活性高,适于用作催化剂载体,提高催化效率。石晓琴等研究了铜/纳米金刚石复合粒子对高氯酸铵热分解的催化作用,结果表明:铜/纳米金刚石复合粒子较单一的纳米铜催化效果更好。

  2.3 增强橡胶和树脂

  纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性,利用这一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。目前,橡胶所用的增强剂多为炭黑,如果用爆轰法合成的纳米金刚石作为增强剂,能使其强度提高1~4倍,明显改善其耐磨性和密封性。纳米金刚石增强聚酰亚胺可以使其降解温度提高30℃以上,同时提高其热导率和抗老化能力。

  2.4 纳米金刚石增强金属基复合材料

  目前,研究较多的增强型金属材料是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。王立平等利用直流电沉积技术制备了纳米金刚石增强镍基复合镀层,研究发现:微米镍基质中引入纳米金刚石后,复合镀层的硬度提高了一倍以上。许向阳等利用纳米金刚石作为增强相制备的金属基复合材料耐磨性明显提高,研究发现:采用粉末冶金法,经冷压、烧结制备的ND/Al复合材料,当载荷为0.005N时,摩擦系数仅为0.005,这一数值低于纯金刚石和石墨的最小摩擦系数。相英伟等用化学沉淀–热压成型方法制备了纳米金刚石增强Cu10Sn基复合材料,材料的摩擦系数降低50%以上。加有纳米金刚石的塑料膜极易附着在金属上而不需要加黏结剂。加入纳米金刚石的硅胶强度可提高1~3倍。在Cr镀液中加入纳米金刚石,可使冲模寿命提高10倍以上。原镀金镀层厚4μm,加入纳米金刚石后,可使镀层减薄至2μm且保持镀层完整,其耐磨性还大幅提高,镀后表面色泽与不加纳米金刚石的一样。原镀1m2需80g金,加纳米金刚石后仅需40g金,可节省1万多元,纳米金刚石的消耗量仅需0.4g

  3 结语

  由于合成工艺的差别,不同来源的金刚石纳米颗粒的结构性能和表面性能差异明显,其中,一般静压单晶纳米颗粒结构致密,而爆轰单晶团簇脆性相对较大,爆轰金刚石纳米颗粒表面具有相对更为丰富的活性基团等。因此,不同纳米金刚石颗粒的应用领域应该有所不同,具体分析和结合应用环境、技术需求及金刚石的性能特点,采用不同的金刚石纳米颗粒及其加工改性产物,应当更有利于金刚石应用。

  目前,纳米金刚石功能材料领域的应用技术没有得到根本解决,例如在生物制药、环境保护等方面应用技术还处于探索阶段,这就限制了纳米金刚石生产领域的产能提升。随着新材料技术的发展,性能优良的纳米金刚石在功能材料领域的应用将会快速推广,这将会推动超硬材料行业的转型和经济效益的提高

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