纳米金刚石在特种功能涂料中的应用进展

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２ ０ ０ ９年 ｌ ２月
现 代来自百度文库料 与溶装
Ｍｏｄ ｅ ｒ ｎ Ｐａ ｉ ｎ ｔ＆ Ｆｉ ｎ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ
Ｄｅ Ｃ． ２ ０ Ｏ９ Ｖ０ １ ． １ ２ Ｎｏ． １ ２
第 １ ２卷第 １ ２ 期
源。爆轰法制备纳米金 刚石的基本原理如下： 负氧平 衡炸 药在保 护 介质 环境 中爆 炸 ，爆炸 过 程 中多余 的碳 原子 经过 聚集 、晶化等 一 系列 物 理化 学过 程 ， 形 成 纳 米尺 度 的碳颗 粒集 团 ， 其 中包 括 金 刚石 相 、石 墨相 和 无定 形碳 。经 过选 择性 的氧化 化 学处 理 ， 去 除非 金 刚
ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎａ ｎ ｏ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｎ ａ ｎｏ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ，ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ，ｓ ｐｅ ｃ ｉ ｌ ａ ｔ ｙ ｐ ｅ ｆ ｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎｇ
石相 后 ， 得 到纳米 尺度 的金 刚石 粉末 。
表 １ 纳米金刚石中其它杂质元素的含量
×１ ０ － ６
图１ 俄罗斯Ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ Ｌ ｔ ｄ ． 爆轰法 制备纳米金 刚石 的局 部设 备
我国爆轰合成纳米金刚石 的研究 比较晚 ，大约从
２ ０ ０ ０年后 ， 纳米 金 刚石 的研 究 才从 实验 室 水平 走 向规 模化 生产 。 虽 然起 步较 晚 ， 但 纳米 金 刚石研 究生 产发 展 的加 速度 很大 ，能 规模 化生 产纳 米金 刚石 的企 业如 雨
（ １ ． 北方涂料工业研究设计院 ， 兰州 ７ ３ ０ ０ ２ ０ ； ２ ． 甘肃金石纳米材料有限公司 ， 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ）
摘
要： 阐述 了纳米金刚石的起源 、 特性 以及该产品在 国 内外的主要应 用领域 ， 着重介 绍 了纳米金 刚石的分
散研 究及其在特种功能涂料 中的应用 ，并就 目前 国内纳米金 刚石在 涂料领域 的研 究和应 用的内容
变为 金刚石 。最 后一 类是 爆轰 产物 法 ， 也 就是 利用 负
基本 上都 开始用 “ 纳米金 刚石 ” 这个 名称 。 到这 时 ， 这种 金 刚石 的名 称基 本上 得到 统一 ，大家都 称 它为 “ 纳米 金 刚石 ” 。 半 个 多世纪 以来 ，材料研究 工作 者开 展 了若 干人 工合 成金 刚石 的方法 。１ ９ ５ ４年 ， 美 国通用 电气 公 司首 先利用 石 墨为原料 ， 在金 属触媒 的参 与下 ， 使 用静 态高 压高 温 的方法 合成 出 了金刚石口 １ 。 Ｄ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｉ 于１ ９ ６ １ 年使 用动 态高压法 （ 爆 炸法 ）成功地 制得 了纳 米金 刚石闼 。 １ ９ ７ ５年 ，Ｆ ｅ ｄ ｏ ｓ ｅ ｅ ｖ等 人 利 用 低 压 化 学 气 相 沉 积 法 （ Ｃ Ｖ Ｄ） 制得 了普通 金 刚石膜 ［ ３ １ 。２ ０世 纪 ８ Ｏ年代 初 ， 前
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现代涂 料与涂装
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ＤｅＣ ． ２ ０ ｏ９
第 ｌ ２卷第 １ ２期
Ｖｏ １ ． １ ２ Ｎｏ ． １ ２
国匿圈
纳米金 刚石在特种功能涂料 中的应用进展
孙 哲ｔ ， 李 洁 － ， 杨 康 ， 彭 雁 ， 杨茂林 ， 王国炜 ， 孟军锋
及 方 向作 出了展 望 。
关键词 ： 纳米金 刚石 ； 分散 ； 特种涂料 中图分类号 ： Ｔ Ｑ ６ ３ ７ ； Ｔ Ｑ１ ６ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ７ — ９ ５ ４ ８ （ ２ ０ ０ ９ ） １ ２ — ０ ０ ３ ２ — ０ ６
Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｎａ ｎ ｏ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ Ｃｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ
０ ． ０ １ ～０ ． ２ ０ ｋ ｇ 。纳米 金 刚石 在 润 滑油 中的奇 特 功效 出
为ｃ ， 其质量分数由于制备方法 的不同有所变化 ， 但 大部 分都 在 ８ ５ ％～９ ０ ％之 间 。其 它较 多 的元 素杂 质 如 Ｈ≤ｌ ％ ， Ｎ≤６ ％ ，０≤１ ０ ％ ，还含 有 其它 的杂质 ，如
３ ． １ 滑 润技 术领 域 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 。 （ １ ） 提 高产 品 的质 量 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 。 （ ２ ） 摩擦动量降低 ２ ０ ％～ ４ ０ ％。 （ ３ ） ｆ ￣擦 面磨 损减少 ３ ０ ％～ ４ ０ ％。 （ ４ ） 摩擦 副 的快速磨 合 。 纳 米 金 刚 石 的 单 位 消 耗 ：１ ０ ０ ０ ｋ ｇ润 滑 油 中为
３ 纳 米 金 刚石 的 应 用 领 域 及 国 内外 应 用 现 状
与其它 材料 相 比， 金 刚石 具有 很 多的优 异特 ｌ 生， 在
深圳 市金 刚源新 材 料发 展有 限公 司 ； 北 京九龙 华源 金 刚石超 细粉 研究 所 ； 长 沙矿 冶研究 院 ； 天 津乾 宇超硬 科技 公 司 ； 山东黄金 集 团金凯 驰纳 米科 技有 限责 任公 司 ； 北 京博 纳士 有 限公 司 ； 河 南省 恒翔 金 刚石 磨料 有 限公 司 ； 北 京 国瑞升 科技 有 限公 司 ； 郑 州联合 新 材料公 司 ； 上 海起 亚研 磨科技 有 限公 司 ； 广州艾 普纳 米科 技有 限公 司 ； 陕西艺林 实业有 限公 司 。 纳 米 金 刚 石粉 中 的 Ｃ元 素含 量 和 金 刚石 相 含 量 是两 个不 同 的概念 ，需要 澄 清 。从 目前所 有 制备 的纳 米金 刚石 粉 的测试 结果 来 看 ， 纳 米金 刚石 中主要 元 素
ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｅ ｄ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ （ 简称 Ｕ Ｄ Ｄ） ， 翻译 为超 分散 金 刚 石。 而在 国内其它 学术文献 中 ， 多称 为 “ 纳 米金 刚石 ” 。
２ ０ ０ ０年 以后 ， 受 国际纳米 材料 热 的影 响 ，国 内的学者
２ 纳米金 刚石 的合成及表面状态分析
１ 引言
纳 米金 刚石 （ ｎ ａ ｎ ｏ ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ） 是指 晶粒度 在 １ ０ ０ ｎ ｍ
以下 的金 刚石颗 粒 。在 ２ ０ ０ ０年 以前或 者 更早 的国外
文 献 中 ，也称 这 种金 刚 石 为 ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｉ ｆ ｎ ｅ ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ（ 简称 Ｕ Ｆ Ｄ） ，翻译 为超微 （ 细） 金刚石 ， 还 有 一种 叫法 是 ｕ ｌ —
墨靶合成了金刚石 ， 将激光诱导固态转变合成金刚石 进一 步扩展 到液 态介 质环境 ［ ６ １ 。 本文 主要 阐述 了纳米金 刚石在 国内外 的研 究及应 用状 况 ，尤 其是 在分散 技术 及特种 涂料 方面 的应用研 究， 并 对纳 米金 刚石在 我 国涂 料行业 的应 用进 行展望 。
Ｓ Ｕ Ｎ Ｚ ｈ ｅ ， Ｌ Ｉ Ｊ ｚ ｅ ， Ｙ Ａ ＮＧ Ｋ ａ ｎ ｇ ， Ｐ Ｅ Ｎ Ｇ Ｙ ａ ｎ ， Ｙ ＡＮ Ｇ Ｍａ ｏ － ｌ ｉ ｎ ， ＷＡ ＮＧ Ｇ ｕ ｏ － ｗ ｅ ｉ ， ＭＥ ＮＧ Ｊ ￣ ｎ － ｆ ｅ ｎ ｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｃ ａ ｐ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ｏ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ，ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ，ａ ｎ ｄ
苏联科技工作者率先利用负氧平衡炸药爆轰合成出了 纳米金 刚石 。 １ ９ ８ ３年 ，Ｆ ｅ ｄ ｏ ｓ ｅ ｅ ｖ 和Ｄ ｅ ｒ ｊ ａ ｇ ｕ ｉ ｎ报道 了用 激光 辐 照 固相含 碳 物质 的金 刚石 合成 方 法 。 １ ９ ９ ２ 年， Ｏ ｇ ａ ｌ ｅ 等 人 利用 红 宝 石激 光 辐 照 浸泡 在 苯 中 的石
所 有 材料 中 ， 金 刚 石具 有最 高 的硬度 、 最 高 的热 导 率 、
最高的传声速度 、 高的耐磨性 、 低 的摩擦系数 ， 既是 电 的绝缘体 ， 又是热 的良导体 ， 掺杂后可成为卓越的 Ｐ Ｎ 型半 导 体 ， 有 宽 的禁 带宽 度 ， 高 的空穴迁 移率 和最 宽 的 透光波段 （ ０ ． ２ ２ ５ ｍ 至 远 红 外 ）， 正 是 上 述 特 性 为 它 在 现代 科技 和 工业领 域 中 的广泛 应用 提供 了坚 实 的技 术 基础 ， 也 是其 它材 料不 可 比拟 的重要 原 因 。
目前 ， 人工合成金刚石 的方法主要有静压法 、 沉 积法 以及动 压法 。动压 法是 利用 瞬时产 生 的高 压高温 条件 来生 成金 刚石 ，根据 合 成金 刚石 的原 料 不 同 ，可 以分 为 以下 ３类 ： 笫 一类 是 冲击 波 法 ， 利 用 高速 飞 片 撞击 石墨靶 板 ， 使 石墨 在撞 击过 程 中生成微 米 级金 刚 石 ，国内最早 开始 这一 方面 研究 的是 中科 院物 理研究 所 。第二类 是爆 炸法 或是 称作 爆轰 波法 ，就是将 石 墨 与高 能炸药 混合 ，在炸 药爆 轰 的过程 中压 缩石 墨使其
后春 笋 般地蓬 勃发 展起 来 了。我 国主要几 家生 产纳 米 金 刚石 的企业 及公 司有 ： 甘 肃金石 纳米 材料 有 限公 司 （ 原 甘肃 凌 云纳米 材 料 有 限公 司 ；
利用 ｘ射线光电子能谱 （ Ｘ Ｐ Ｓ ） 对纳米金刚石原料 的元 素构成进行分 析得 出 ， 纳米金 刚石表 面 的主要元 素 为Ｃ 、 Ｏ 、 Ｎ ，其中 ｃ元素占 ９ ０ ． ６ ５ ％， ０为 ８ ． ０ ９ ％， Ｎ为 １ ． １ ４ ％， 此外 还有 Ｓ 、 Ｃ ｌ 等。 纳 米金刚石表 面 的 Ｎ处于多 种化 学环境 中 ， 其 主要化学 状态是胺类基 团形式１ ８ １ 。
氧平衡炸药爆轰来得到晶粒度在纳米量级 的金刚石。 图１ 是俄罗斯 Ｄ ｉ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ Ｌ ｔ ｄ ． 爆轰法制备纳米金 刚石 的局部 设备 。 爆轰法与前面两种动压法 的最大区别在于 ， 前两 种方法需要提供碳源， 制备 的金刚石粒度大部分在微 米级 或者更 大 。而最后 一种 方法是 不需要 提供 额外碳 源的 ， 炸药本身 既提供 高压高温条件 ， 还提供碳 氢