1.引言

       文章綜述了利用負(fù)氧平衡含碳炸藥制備納米金剛石粉的研究和開發(fā)工作進(jìn)展情況。此方法是80年代未發(fā)展起來的人工合成金剛石的新方法［1，2］，其產(chǎn)物(納米金剛石)是合成金剛石的一個(gè)新品種，用這種方法制備的納米金剛石粉主要性質(zhì)［3，4］如下：

       (1)X-射線衍射(XRD)譜上只有立方晶系金剛石的三個(gè)特性譜線，沒有出現(xiàn)其他雜質(zhì)譜線；因此，金剛石相的純度在95%以上。
       (2)透射電子顯微鏡照片(圖1)表明，其基本顆粒為直徑5nm～15nm的微球，聚集成微米尺寸的聚集體。

圖1.納米金剛石粉及其團(tuán)聚體的透射電子顯微鏡照片(放大倍數(shù)40萬倍)
（a）納米金剛石粉；（b）團(tuán)聚體

       (3)密度為3.26g.cm－3～3.43g.cm－3；比表面積240m2.g－1～450m2.g－1。

       (4)紅外光譜圖表明這種金剛石表面有多種含氧功能團(tuán)，所占面積可達(dá)顆粒表面的10%~20%，因此，這種產(chǎn)物屬于類金剛石。

       (5)元素組成見表1。

表1.類金剛石元素組成

圖2　TNT／RDX、TNT／HMX、TNT／PETN混合物中TNT含量對(duì)金剛石收率的影響

圖3　TNT／RDX混合物中RDX含量對(duì)黑粉中金剛石含量和金剛石顆粒平均直徑（dcp）的影響

圖4　裝藥形狀和冷卻水厚度對(duì)黑粉中金剛石含量的影響

圖5　裝藥質(zhì)量和冷卻介質(zhì)對(duì)黑粉中金剛石含量的影響

圖6　混合裝藥結(jié)構(gòu)

       (2)炸藥用量Q（單位kg）與爆炸容器體積V（單位m³）的關(guān)系以Q＝0.5V為宜。

       (3)冷卻介質(zhì)對(duì)在爆轟區(qū)內(nèi)生成的含金剛石固體爆轟產(chǎn)物起著“淬火”作用。較好的冷卻介質(zhì)有氣體二氧化碳和液態(tài)水兩種，其結(jié)果見圖5和表2［8］、表3［8］。

2.制備方法及其影響因素

       這種納米金剛石粉的制備方法較簡單，主要工藝流程：將TNT／RDX混合炸藥放在充有惰性介質(zhì)(例如水或CO₂）的密閉爆炸容器中進(jìn)行爆炸，即可收集到黑色的固體爆轟產(chǎn)物(黑粉)，經(jīng)過純化，除去其中的雜質(zhì)和非金剛石碳，即可得到淺灰色的納米金剛石粉。

影響金剛石收率和性質(zhì)的主要因素有：

       (1)炸藥的組成、裝藥形狀、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的影響見圖2［5］、圖3［6］、圖4［7］、圖5［8］和圖6［9］。結(jié)果表明，用TNT／RDX　40～60／60～40混合炸藥得到的納米金剛石收率最高(以炸藥用量為基礎(chǔ))；而隨著炸藥中RDX含量的增加，納米金剛石的顆粒尺寸增大。裝藥形狀選擇圓柱形和藥量大于0．5kg的結(jié)果較好。

表2.冷卻介質(zhì)CO₂和水對(duì)金剛石性質(zhì)的影響[8]

注:用高分辨電鏡進(jìn)行研究的結(jié)果[10]表明這種金剛石也是球形的

表3　冷卻介質(zhì)CO₂和水對(duì)黑粉性質(zhì)的影響[8]

       (4)金剛石的純化方法一般是先用鹽酸除去其中的金屬(主要是鐵)雜質(zhì)；然后用氧化法除去各種非金剛石碳。所用的方法可分為氣相氧化法和液相氧化法。用氣相氧化法制成的金剛石粉具有較高的抗氧化穩(wěn)定性；液相氧化法的操作比較簡單，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而目前仍然被廣泛應(yīng)用。 

3.應(yīng)用與展望

       納米金剛石具有顆粒極小而且比表面積很大的獨(dú)特性質(zhì)，具有特殊的機(jī)械、光電、熱、磁性能，可望在機(jī)械、電子、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

3．1 作為潤滑油添加物

       添加了該金剛石的潤滑油，其潤滑性能和減磨性能都有明顯提高，在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，取得了良好的結(jié)果［11］。我們也進(jìn)行一些研究［12］，在石臘油中添加0．5％含金剛石黑粉后，磨損量大大降低。尤其當(dāng)載荷較大時(shí)效果更顯著。例如，在同樣條件下進(jìn)行摩擦，當(dāng)載荷為100N，基礎(chǔ)石蠟油的磨損量為1.2×10－3mm3，添加金剛石粉后磨損量下降為0.15×10－3mm3左右；而當(dāng)載荷增大到200N，磨損量分別由2.4×10－3mm3，下降為0.3×10－3mm3可見效果更加明顯。

3．2　作為復(fù)合鍍層添加物

       復(fù)合電鍍是一種提高鍍層硬度和耐磨性能的方法。用電鍍［13］或電刷鍍［14］法制成的含金剛石粉的復(fù)合鍍鎳層，與不含金剛石粉的鍍鎳層相比，其硬度增加50%，耐磨性能增加更顯著。例如，用電刷鍍法制成的不含金剛石粉鍍鎳層的磨損量為18.3mm3.nm－1，而添加金剛石粉后可降低到10.0mm3.nm－1。有人使用類似方法制成磁盤或磁頭的耐磨保護(hù)層，也取得了良好的效果［15］。

3．3　作為精細(xì)研磨材料

       用這種金剛石粉制成的研磨液或研磨塊，可以磨出光潔度極高的表面。例如：可制成表面光潔度要求極高的X-射線反射鏡［16］；用含有這種金剛石粉的研磨液對(duì)陶瓷滾珠進(jìn)行磁流體研磨，可得到表面粗糙度只有0．013μm的表面［17］。

3．4　其它應(yīng)用

       將這種金剛石粉用于制造電子成象的感光材料，能明顯改進(jìn)復(fù)印機(jī)的性能［18］；用該金剛石粉做生物抗源載體，制造某些抗體藥物，取得了良好結(jié)果［19］；將這種金剛石粉涂沫在用于化學(xué)氣相沉積金剛石膜的單晶硅基片上，在硅片上就可以形成金剛石微晶層，在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積時(shí)，可大大加速金剛石膜的生長速度和提高膜的成核密度。實(shí)驗(yàn)證明［20］，在同樣的CVD條件下，硅片上金剛石膜的成核密度可提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

       此外，用金剛石作為電子場發(fā)射材料具有許多特點(diǎn)，有可能在平面顯像裝置中得到應(yīng)用。有人用這種納米金剛石粉進(jìn)行了嘗試［21］。我們也進(jìn)行了這方面的研究。初步結(jié)果表明，用納米金剛石粉涂敷在硅片上制成的薄膜，其場電子發(fā)射性能優(yōu)異，最低起始電壓只有3．2V.μm－1，最大發(fā)射電流可達(dá)20mA.cm－2，均明顯優(yōu)于CVD金剛石膜。而且還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，經(jīng)過1h連續(xù)發(fā)射后，用顯微鏡觀察金剛石膜，沒有任何損傷。這方面的研究我們正在繼續(xù)進(jìn)行中。

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4.結(jié)束語

       炸藥爆轟法制備的納米金剛石粉是由炸藥中的碳在爆轟反應(yīng)區(qū)中形成的，爆轟產(chǎn)物在冷卻介質(zhì)中“淬火”，在等熵膨脹區(qū)內(nèi)被部分保存下來。通過改變炸藥組成、初始裝藥密度、裝藥尺寸和結(jié)構(gòu)、猛炸藥的顆粒尺寸、炸藥中添加物的種類和數(shù)量、冷卻介質(zhì)的種類和狀態(tài)、爆炸室的體積和結(jié)構(gòu)等因素，可以改變反應(yīng)區(qū)中游離碳的數(shù)量、反應(yīng)區(qū)寬度和反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)物飛散過程等參數(shù)，這樣就可以控制金剛石的收率、基本顆粒和團(tuán)聚體的尺寸、表面結(jié)構(gòu)和形貌等，以滿足不同應(yīng)用目標(biāo)對(duì)金剛石性質(zhì)的要求。