・１００・ 科技论坛 纳米金刚石的应用 李春花贺小光卓春蕊姚春梅吕启松 （长春师范大学物理学院，吉林长春１３００００） 摘要：在工业领域上，金刚石作为一种材料具有许多优异的性能。它有很高的硬度、良好的热导率、高的耐磨性、是热的良导体等， 是其他材料难以替代的。而如今纳米技术已经成为各国重视发展的重要领域之一，被看做是网络、基因之后又一重要技术。纳米金刚石就 是基于“金刚石”和”纳米技术”这两大优势材料和技术所结合的产物，其具有许多独特的优点，如具有规则的形貌、化学活性大、德拜温度 低、富含官能团、易于生物分子相结合等，被看做是２１世纪最有前途的材料之一。目前，用爆轰法制备纳米金刚石的技术已经比较成熟， 也已经用在了工业生产线上，但由于制备成本较高且污染较重，所以在工艺上还需不断地改进。近年来全世界对纳米金刚石的应用研究 的越来越深入和广泛，发现它在超精抛光、医药领域、高性能润滑、电镀、复合材料等方面都有非常好的应用。都收到超乎预期的好效果。 关键词：纳米；金刚石；应用 环境当中也能起到保护的效果。在现代军事武器的发展中，红外制 我们将纳米金刚石加人到介质当中制成纳米金刚石抛光液，现 导已经成为现代导弹中非常重要的一种制导手段。导弹的红外装置 在主要分为水性抛光液及油性抛光液。由于纳米金刚石抛光液中纳 会被整合在导弹的整流罩里，所以，导弹的整流罩可以说是这个导 米金刚石粒子超细超硬，用它可以去除材料表面细小的凹凸不平， 弹的“眼睛”。我们都知道，导弹的飞行速度是很快的，至少要达到６ 抛光后材料表面的粗糙程度可降低到纳米级，从而使得材料表面光 马赫以上，表面的温度会达到１５００￣Ｃ。在飞行的过程中平常看起来 ｉ士１．１度极高。目前纳米金刚石抛光液可用于半导体硅片抛光、计算机 非常微不足道的灰尘、雨滴等都会对整流罩造成破坏，这时纳米金 磁头的抛光、精密陶瓷加工、宝石抛光、光学玻璃抛光加工等领域。 刚石就可以对整流罩提供保护。而且纳米金刚石薄膜也具有优异的 现在由于计算机的发展，人们对计算机存储的容量要求不断提 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。 升，这使得我们要去制造容量更大的磁盘。近年来计算机磁盘储存 所以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 容量也一直在提高，但是随着储存容量的提高，带来的问题是磁盘 面发展方向上的非常好的选择。 与磁头间隙越来越小，已趋近于１０ｒｉｍ，磁头和磁盘的表面粗糙度、 ３金刚石应用于机械的润滑 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 在机械领域，纳米金刚石薄膜具有高硬度和高弹性，优良的表 距已经到了纳米级，微米级的抛光液已经达不到抛光要求，所以只 面平滑度、低的摩擦系数和较好的粘附性能等使其在机械方面的应 有纳米级的金刚石抛光液可以满足这一方面的需求。我们拿来纳米 用被广泛看好。机械设备在运转时，除了高速转动以外还存在着滑 金刚石抛光液对计算机磁头进行抛光，发现经过抛光后确实大大提 动过程，滚动轴承的重要零件在工作时承受的力都很大，集中载荷 高了磁头表面的光洁度，测得此时的表面粗糙程度为０．０９～０．４０ｎｍ， 都很高。纳米金刚石薄膜的一个重要的应用方向是作为机械传动机 而采用普通抛光液抛光后磁头的表面粗糙程度为０．４５—０．８０ｎｍ，相 构的耐磨涂层，可以大大减小其磨损延长其寿命。 比之下纳米金刚石抛光液的效果要好得多，从而计算机磁头的质量 同样纳米金刚石可以利用于汽车发动机及零部件的润滑，将纳 也得到提升，我们就可以生产出更精密，存储容量更大的计算机磁 米金刚石分散后制成一种乳化液，将它加到实验汽车的发动机中。 盘。 行驶１００００公里后发现它的机油仍然清澈，这表明在行驶过程中发 抛光时值得注意的是，由于计算机等电子产品最忌腐蚀的产 动机机械结构磨损极少，没有出现可见的金属碎屑，并且在行驶过 生，所以一定要控制好抛光液的酸碱度，研究发现抛光液的ＰＨ值 程中明显感觉车辆爬坡比以前有力而且同样使用路况场景下综合 控制在６．５—８之间较为适宜。由于阴离子Ｃｌ一和ＳＯｚ一的含量会决定抛 油耗降低。通过分析机理，产生这种效果的原因在于加入纳米金刚 光液的酸碱度，所以在制备用于计算机磁头抛光的抛光液时要控制 石润滑液后，发动机缸体的间隙被纳米金刚石粒子不断填充使得间 好ｃｌ一和ＳＯ 的含量，同时注意观察ＰＨ值。 隙越来越小，活塞和缸体的运作过程越来越精密，摩损减小，从而提 超精抛光存在的问题： 高了燃油效率，提升了动力。对于汽车的零部件，纳米金刚石由于其 由于纳米粒子有比表面积大的特性，所以在热力学方面不稳 具有类圆形的形貌，所以在零部件表面可以产生“滚珠效应”。这使 定，易发生团聚。团聚后团聚体有大有小，有的有几百纳米，甚至还有 零部件的磨损量大大减小，可以增加汽车的寿命。 微米级的，就会丧失了纳米粒子颗粒较细的优点。这样在进行超精 参考文献 抛光的过程中，如果抛光液中有较大团聚体，就会对材料表面产生 ［１】黄建余，魏刚，王育召，等．纳米金刚石在表面工程领域的应用Ｕ】． 损害，之前我们已经知道了计算机磁头磁盘的间距已经发展到纳米 热加工工艺，２００９（１２）：１１７—１２０． ２】张建，王锐，苏党生．纳米金刚石非金属催化性能研究进展【ＪＪ＿中国 级的阶段，如果用有团聚体的纳米金刚石抛光液进行抛光，会对磁 ［盘造成损害。虽然通过近些年不断的改进工艺，使得理论上纳米金 科学：４Ｌ学，２ｏ１２（４）：４０６—４１４． 刚石抛光液中的纳米金刚石粒子能越来越多的在介质中长期分散， 【３】刘素田，唐伟忠，耿春雷，等．纳米金刚石薄膜的制备和应用ｆＪ】．金 但是通过研究发现介质中的纳米金刚石粒子还是没有能够分散到 刚石与磨料磨具工程，２００６（１）：７５—７９． 原有的粒子大小，所以团聚问题还未彻底解决，再者就是这些研究 【４］李学敏，汪家道，陈大融，等．纳米压痕法研究金刚石薄膜的力学 结果是否能进行工业规模化应用生产，大规模生产后是否能保证纳 性能叽硅酸盐学报，２００５（１２）：１５３９－１５４３． 米金刚石抛光液的质量，存放时间会不会过短，会成本如何，这些都 【５】蒋丽雯，王林军，刘健敏，等．纳米金刚石薄膜的光学性能研究ｆＪ】． 需要进一步研究实验来给出答案。 红外与毫米波学报，２００６（３）：１９５—１９８． ２刚石应用于导弹整流罩的保护 ｆ６１孙陶利，彭雁，倪京满．纳米金刚石材料在生物医药领域中的应用 由于纳米金刚石薄膜在光学性质方面有许多优异性能，不仅具 『Ｊ］．中国生物医学工程学报，２０１２（３）：４５１—４５５． 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 【７】胡晓刚，顾晓宇，仝毅．改性纳米金刚石增强增韧医用口腔复合树 性。加入纳米金刚石薄膜保护涂层的光学玻璃可以很大地提高光学 脂的研究 ４￣．ｘ－新型材料，２００６（２）：６０—６２． 玻璃在极端条件下的雨蚀，沙蚀，和抗划伤能力，甚至在高温，辐射 １纳米金刚石应用于计算机磁头的超精抛光 通讯作者－贺小光，教授。