本文介紹了利用爆炸法合成的納米級金剛石及其在磨合油、金屬修補(bǔ)劑等方面的應(yīng)用，同時(shí)介紹了國外的應(yīng)用開發(fā)情況。
　　 關(guān)鍵詞　納米級金剛石,爆炸法 Current Situation and Prospect of Nanometer-diamond and Its Series of Products Chen Shengyu　　Cheng Zengkai (Second Artillery Eng.College 22th Team　Xi'an　710025) Abstract　Nanometer-diamond synthesized by explosive detonation is introduced in this article,including our applications in wear-in oil ,metal-mending glue,etc.and its applications and development abroad. Key words　Nanometer-diamond，Detonation
　　1　前言 　　納米技術(shù)是九十年代后興起的一個(gè)高新技術(shù),納米級金剛石由尺寸為納米級,即十億分之一米金剛石微粒組成,是近幾年來用爆炸技術(shù)合成的新材料。它不但具有金剛石的固有特性,而且具有小尺寸效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,因而展現(xiàn)出納米材料的特性。在爆轟波中合成的這種金剛石具有立方組織結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為(0.3562+0.0003) nm,晶體密度為3.1 g/cm3 ,比表面積為300 m2／g～390 m2／g。在不同的化學(xué)處理后,金剛石表面可形成多種不同的官能團(tuán),這種金剛石晶體具有很高的吸附能力。
　　 　　據(jù)有關(guān)資料介紹,俄、美等國在爆炸合成納米級金剛石技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)方面起步較早,已開發(fā)出不少產(chǎn)品。我國在該領(lǐng)域的研究雖然起步較晚,但也取得了一定的成果。
　　 2　國外產(chǎn)品研究開發(fā)狀況
　　 　　(1)抗磨潤滑油
　　 　　在爆炸容器中,收集到的炸藥爆轟產(chǎn)物,是由納米級金剛石和無定形碳組成的固體,這種納米級超細(xì)微粉有很高的活性,用它調(diào)制發(fā)動機(jī)磨合油和工業(yè)潤滑劑,可以大大提高耐磨性能。如俄羅斯生產(chǎn)的N—50A潤滑劑,就是利用納米級金剛石微粉作為添加劑。該油品可用于內(nèi)燃機(jī)磨合,使磨合時(shí)間縮短50%～90%,同時(shí)可提高磨合質(zhì)量,節(jié)省燃料,延長發(fā)動機(jī)使用壽命。還可用于精密加工機(jī)床上的潤滑,使用結(jié)果表明該油品較普通機(jī)床油減少耗油量50％［1］。
　　 　　(2)提高金屬鍍層的耐磨性
　　　　電鍍時(shí),在電解液中加入適量納米級金剛石微粉,會使電鍍金屬晶粒尺寸變小,顯微硬度增強(qiáng)。根據(jù)大量工業(yè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果說明,含納米級金剛石的金屬鍍層的耐磨性明顯提高［1］，見表1～表3。 鉆頭直徑／mm 被加工金屬種類 提高倍數(shù)(使用效果) 0.8～1.2 玻璃膠布板 2.7～3.3 1.0～2.0 玻璃膠布板 10.0～20.0 1.5～2.5 鋼 1.5～1.7 3.5～10.0 鋼 2.0 6.0～10.0 不銹鋼 1.8～3.0 7.2～8.5 鋼 1.5～1.8 10.0 不銹鋼 1.9 20.0 鑄鐵 6.0～8.0 表2　鉻金剛石鍍層壓制模具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果* 　壓制材料 提高倍數(shù)(使用效果) 鐵及不銹鋼粉末 9～15 無線電工業(yè)陶瓷粉末 4～5 塑料粉末 2～3 *與滲氮、滲碳、鍍鉻強(qiáng)化及采用特殊鋼的工具比較,相對壽命。 表3　鉻金剛石鍍層沖壓工具（陰模、陽模）在板材沖壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 工序 被加工材料 提高倍數(shù)(使用效果) 冷擠壓 鋼 銅、鋁 1.6～1.8 2.0～3.0 沖裁 玻璃膠布板 黃銅 1.6～2.4 2.0～4.0 拉伸 鍍黃銅鋼 2.8～3.0 成形 鋼 1.4～1.8
　　　　(3)添加納米級金剛石的金屬潤滑劑
　　　　降低機(jī)器零件連接處摩擦和燃料損失,其途徑之一就是改善摩擦副表面的性能。目前常用金屬潤滑劑預(yù)磨摩擦副表面,把金屬潤滑劑的抗磨性賦予摩擦副表面。烏克蘭科學(xué)院研制成了含納米級金剛石粉末的金屬潤滑劑［2］,其牌號為M5—20和M5—21,未加納米級金剛石粉末的金屬潤滑劑牌號為M08—1—1,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明含納米級金剛石粉末的金屬潤滑劑能將磨損度降低1.7～2.0倍,使磨合時(shí)間縮短1.5～2.4倍,摩擦系數(shù)減少1.25～2.0倍。
　　 　　(4)含金剛石的新型耐磨材料
　　 　　1992年美國的Yashchenko等人用粉末冶金法制成了一種新型抗磨材料［3］,這種材料是把銅鋅和銅錫粉末與納米級金剛石粉末按一定比例混合,經(jīng)壓實(shí),然后在氫氣中燒結(jié)制成的。這種新型材料可用于內(nèi)燃機(jī)缸套和其它傳動機(jī)械的襯套制造也可用于制造滑動軸承等,由于這種新材料含有摩擦系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率高的納米級金剛石粉末,才具有高的抗劃痕性和耐磨性。
　　 　　(5) 納米級金剛石其它用途
　　　　配制高級研磨膏和拋光液。用于超精細(xì)加工石英、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體、合金和金屬表面,能有效提高加工精度［4］。
　　　　制造增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)塑料、增強(qiáng)樹脂。目前橡膠所用的增強(qiáng)劑多半為納米級炭黑,若改用爆轟合成的含納米級金剛石的炭黑,能使其強(qiáng)度提高1～4倍,改善其耐磨性和密封性［5］。
　　 　　配制催化劑。爆轟合成的納米級金剛石和無定形碳,有很大的比表面積,含有各式各樣的表面官能團(tuán),活性很強(qiáng),用其配制催化劑,可提高活性數(shù)據(jù)促進(jìn)有機(jī)化合物的相互作用［6］。
　　 　　制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。把納米級金剛石與納米硅粉、納米陶瓷和各種納米金屬復(fù)合,可制造出新型的納米結(jié)構(gòu)材料,因其獨(dú)特的性能,可制造半導(dǎo)體器件,集成電路元件和微機(jī)零件等［5］。
　　 3　國內(nèi)研究狀況
　　　　國內(nèi)研究納米級金剛石技術(shù)起步較晚,目前從事這一研究的單位有北京理工大學(xué)、第二炮兵工程學(xué)院、蘭州化學(xué)物理所等少數(shù)單位。我們歷經(jīng)三年多的探索研究,自行設(shè)計(jì)制造了制備納米級金剛石的大型封閉式爆炸容器,配制了相應(yīng)設(shè)備,進(jìn)行了一系列爆炸實(shí)驗(yàn);研究了負(fù)氧平衡炸藥爆炸生成納米級金剛石的機(jī)理;研究了裝藥組分、形狀、爆溫、爆壓、以及急速冷卻和壓力保持對金剛石產(chǎn)率的影響;研究了產(chǎn)物回收與納米級金剛石的提純技術(shù)?，F(xiàn)在超細(xì)金剛石產(chǎn)率已達(dá)到裝藥量的10%,提純度已達(dá)到97%,粒度均勻,平均粒徑5 mm,已具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。
　　 　　為了尋找應(yīng)用領(lǐng)域，我們與西安交通大學(xué)合作,利用納米金剛石微粉的特性,研制開發(fā)了一種高效專用內(nèi)燃機(jī)磨合油（MR—OIL）。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室理化指標(biāo)測試和發(fā)動機(jī)實(shí)車臺架試驗(yàn),證明該油品能顯著縮短時(shí)間、提高磨合品質(zhì)、改善發(fā)動機(jī)配合副表面耐磨性能、延長發(fā)動機(jī)使用壽命,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)磨合與表面改性有機(jī)結(jié)合。我們與北京天工表面技術(shù)有限公司合作，用納米級金剛石增強(qiáng)其“天工”牌系列金屬修補(bǔ)劑（用于各種工程機(jī)械、各種管路在不同環(huán)境下修補(bǔ)）。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，抗拉強(qiáng)度提高71.98%，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高19.75%，耐磨性提高154.82%，我們與西安交大電子材料與器件研究所合作，將納米金剛石與納米硅進(jìn)行復(fù)合，把納米金剛石與有機(jī)玻璃復(fù)合，研究開發(fā)新形電子器件材料。我們還將與第四軍醫(yī)大學(xué)合作，用納米金剛石粉作為生物抗體的載體，由于這種金剛石粉具有很好的表面惰性，不含重金屬雜質(zhì)，因此不會使生物抗體發(fā)生結(jié)構(gòu)和性能上的變化，不會影響其功能的發(fā)揮，有可能在醫(yī)療上得到廣泛的應(yīng)用。
　　 4　前景展望
　　 　　用爆炸法制備的納米級金剛石是由納米尺寸的圓球形顆粒組成的材料，具有一系列特殊的結(jié)構(gòu)和性能。從目前國外的研究開發(fā)動向來看，此種金剛石的應(yīng)用前景廣闊。例如：用作玻璃、半導(dǎo)體、金屬和合金表面超精細(xì)加工拋光粉的添加劑；作為磁柔性合金成分制備磁盤和磁頭；用作生長大顆粒金剛石的籽晶；用作強(qiáng)電流接觸電極表面合金成分；制備半導(dǎo)體器件和集成電路元件（金剛石和類金剛石薄膜異向外延，金剛石半導(dǎo)體晶體管，可見和紫外波段發(fā)光二極管，藍(lán)光和紫外光發(fā)光材料，集成電路的高熱導(dǎo)率散熱層）以及用于軍事隱身材料等許多領(lǐng)域，并取得一定的進(jìn)展。