爆轰纳米金刚石的应用

1. DND 在现代技术中的应用

1.1 纳米金刚石在超精密抛光领域的应用

含有DND 的抛光液可以让材料表面平均粗糙度不超过0.3 纳米，而单纯的使用抛光技术在机械抛光中是不可能达到的。事实上，当抛光液中存在DND 固体聚集体时（颗粒大小为约100 纳米），就不会得到这么低的摩擦系数。故在抛光液中加入DND 时应先解决其团聚问题。

1.2 作为某些工具和研磨陶瓷的粘结剂

除了用作抛光组合物的磨料组分，DND 还可以在以磨料金刚石为基础的工具中作为粘合剂将磨料和颗粒粘结在一起。使用DND 可以使基于金刚石的研磨工具的强度和弹性达到150%。使用含有DND 磨料的缺点是要提高去除切削热的区域。

1.3 作为润滑剂

DND 作为工业润滑油的添加剂已经成为了一个有前途的应用领域。在油中加入DND 在有些情况下可以显著减少（高达8-12％ ）燃料消耗和提高内燃机的使用寿命。

在关于固体纳米金刚石作为减摩抗磨添加剂作用机理的研究中,人们提出了很多种的假设,大家较为认可的主要有两种,分别是滚珠轴承效应和薄膜润滑效应。人们认为纳米金刚石粒子可以在摩擦表面之间滚动形成“滚珠轴承效应”,原来的摩擦副之间的纯滑动摩擦变成滑动和滚动的混合摩擦,从而减小了磨损。另一种假设是认为由于纳米尺寸效应,金刚石中的C 等元素在滑动摩擦力的作用下迅速渗透到了摩擦副基体中,在其表面形成了一层连续的润滑膜,改善了摩擦副的表面硬度和耐磨强度,可承受更高的载荷,并阻止了摩擦表面的直接接触。虽然纳米石墨在润滑油中起辅助作用，但是由于加了纳米石墨的润滑油不透明，市场销路不好，所以制造商们目前都在寻找其他的方法来代替纳米石墨。最理想的添加剂是尺寸为4 纳米的DND。

1.4 金属-纳米金刚石涂层

作为添加成分,纳米金刚石可以用来作为铬，铜，锌，锡，银，金，镍电镀和复合电镀以及铝和铝合金的阳极氧化的镀层,镀层质量与没有添加纳米金刚石比较有明显改善。镀层的耐磨性可增加4 到9倍。加了DND 的镀层可用于发动机和一些其他的设备，特别是飞机的发动机，除了有显著的耐磨损性，含DND 电镀镀层还具有高弹性，因此也就具有承受高压力的能力。使用含有DND 的复合电镀使得在某些情况下金属的纳米金刚石膜的厚度与传统的保护膜相比减少2到3 倍。这不仅提高了生产设备的效率也节省了材料。制备金属类金刚石镀层的技术很简单：将干的DND 粉末直接倒入水基电解质的电镀浴中。金刚石在沉积膜中相对含量相当低。对于镍基电镀，例如，其不超过0.6 ％（重量）。DND 在金属基复合涂层所起的作用是减少了组成金属膜晶粒的结构尺寸，并相应地增加其硬度。能降低摩擦的原因是尺寸约100nmDND 的聚集体附着在镀层的表面上。

1.5 金属-纳米金刚石复合材料

金属纳米金刚石复合材料领域的另一个明显的发展是制备相应的散装材料。特别是一些基础材料如铜，铝和其合金。将纳米金刚石粉纳入铝矩阵中，可使材料的热导率高、其比强度可用于飞机工程，原子和电子行业。金刚石的体积分数在以铝或铜为基础材料的复合物中可高达50%。由于纳米金刚石粒子的小尺寸和表面可修饰性使得DND 在这一行业有远大的应用前景。金属纳米金刚石复合材料的生产技术是基于粉末冶金的方法，其中包括混合分散金刚石与金属粉末，其次是在高温高压下烧结。

1.6 钻石陶瓷

含有DND 的坚硬陶瓷复合材料最初是作为钻石切割工具的粘合剂，在某些情况下，也作为一个独立的切割材料处理中等硬度的有色金属和非金属材料。DND 制造的纳米多孔陶瓷过滤器用于生化工程。以碳化硅(SiC)和纳米金刚石为基础的陶瓷最近吸引了人们相当大的兴趣，可见它是一个有前途的材料。这种材料表现出高硬度、电阻和弹性。陶瓷烧结温度为1700 – 1800℃。碳化硅的体积含量高达28%的材料,其硬度达到80 GPa。

1.7 有机聚合物复合材料

现在人们对有机聚合物复合材料有极大的兴趣，它们用于大量建设和密封材料。目前越来越多的行业都倾向于运用含有DND 的复合材料。

相比其他碳组件,例如炭黑,用作橡胶型弹性高分子材料的散装填料，填充量高达45 - 60%。DND 添加量是炭黑的数万分之一,是高分子材料的机械性和化学性的优良改良剂。DND 在树脂中的含量是0.1 - -0.5%。但往往加入DND 时没有考虑DND 的团聚以及表面修饰的问题，所以解团聚以及表面官能团的修饰可以提高效能。在基于聚丙烯热塑性橡胶中加入3-5%的DND 聚合物，其表面的摩擦系数降低，耐划痕性和热稳定性提高。在基于聚乙烯醇复合塑料材料中添加0.6%的DND，材料的弹性和强度显著提高。

1.8 聚合物薄膜涂层

基于含氟橡胶聚合物和聚硅氧烷的薄膜涂层广泛用于机械制造和化学技术来减少摩擦和防止金属和其他材料的有害影响，特别是在陆地和海洋运输设施、飞机、化工和采矿行业。将DND 添加到这些涂料降低了材料与金属的干摩擦系数，涂层断裂强度增加10 倍以上，并使聚合物薄膜与金属的粘附力量提高了三到五倍。同时加入了DND 的涂层材料其耐磨性提高了1.5 - 2 倍。另一类塑料-纳米金刚石复合材料已经得到了广泛的普及，如用于各种化妆品和皮肤护理产品方面。在这一领域已经发表的专利数量很多。通常，DND 粒子在聚合之前引入到聚合物涂料中。DND 的添加形式是干粉或悬浮在一种溶剂中。薄的(1 - 100μm)纳米金刚石薄膜和涂层可以通过在包含聚合物的溶剂中悬浮的金刚石的结合电泳产生。

DND 粒子嵌入到聚合物涂料中扮演了两种角色。首先，由于DND 表面存在羧基官能团，与其他的高分子一样，通过化学键合成为高分子，这一过程增加了分子间键的数量，因此，提高了其弹性特性和力量。正是金刚石粒子表面这些额外的化学键的耦合使金刚石粒子嵌入到聚合物涂层后其与材料表面的粘附性增强。第二，位于聚合物表面的DND 粒子与摩擦面是连续接触的，类似于一个超精细研磨，从而有利于其平滑。在适当的时候，这个表面的稳定性取决于DND 粒子的饱和度，摩擦系数的减少，其原理类似于使用含有DND 的润滑剂。

1.9 粘合剂

添加了DND 的基于环氧键的粘合剂其本身键的强度显著提高。能否成功将DND 运用在基于环氧键粘合剂中取决于DND 功能化的表面。举一个例子，将7 wt. %表面经过乙二胺改性后的DND 加入到基于环氧的胶粘剂中（通过氨基基团能够成功加入到胶粘剂中），使固化胶粘剂的硬度提高了三倍，杨氏模量增加50%，使塑性剪切应变降低了5 倍。因为连接了乙二胺的DND 粒子能够初始化环氧树脂的聚合，这使得中断粘合剂中的特定的硬化剂的应用程序成为可能。

1.10 铁磁复合材料

最初对聚合物基铁磁复合材料的研究是寻找一种方法来提高磁信息载体的特性（光盘和磁带）。在DND 中引入柔性的聚合物-铁磁信息载体（磁带）来备份系统允许一个磁带驱动器使摩擦系数降低到1.4 倍还让使用寿命延长至4.5 倍。此外，将DND 嵌入到铁磁涂料中也可以显著减小磁域的大小以及提高纪录密度。DND 在铁磁涂料中占磁载体的1-2%。有趣的结果是在纳米金刚石表面可以直接沉积铁磁金属（镍、钴、铬），但是，目前DND 会聚合的问题没有解决，实际应用是不可能的。灵活的磁信息运营商的需求会随着时间变得更加疲软因为电子存储设备是基于硅场效应晶体管受到人们的欢迎。信息收集铁磁复合材料目前在发展过程中成功地应用在非常有前途的DND 磁性研磨材料，用于选择性最终平滑和高精度的抛光设备。这些材料是基于磨料粒子涂层，正如由一层磁性金属的铁磁复合材料。

1.11 钻石薄膜的CVD 技术的结晶中心

在各种表面沉积金刚石和类金刚石薄膜用来保护和减少摩擦的技术在DND 应用领域越来越得到重视，目前这一技术也取得了很大的进步 。通过气相化学沉积产生的聚晶金刚石层目前已被用作防护和减摩的材料在涂层工程、精密仪器仪表、光学、和医学等领域广泛应用。为了改善磨料对灰尘的稳定性、钻石CVD 薄膜沉积在建筑物、汽车运输和飞机的玻璃面板上。金刚石和类金刚石CVD 在光学仪器中越来越多的作为抗反射和防护涂料。

目前可能CVD 技术允许生产的固体金刚石多晶板厚达5 毫米,直径100 - 200 毫米，满足了用于核和空间研究的需求。一些生产商为了延长食品和生物制品的保质期，会在塑料包装的内表面附上类金刚石膜。当钻石DVD 薄膜开始生长在一个任意固体表面时，它必须具有一定结晶中心。天然的粒子或人造金刚石为CVD 金刚石结晶的产生创造了最好的条件。钻石CVD 薄膜的质量主要取决于他的均一性的程度，而这又直接取决于生长初始阶段的管理条件。因此，为了形成一个均一的CVD 薄膜，在基底的表面应该有尽可能多的均匀分布的钻石颗粒。钻石CVD 薄膜的增长速度也由在基质上的结晶中心的密度和均匀性控制。为了在玻璃或金属表面形成前体，通常利用DND属性在机械摩擦下使其表面达到饱和。当要在粗糙表面上沉积金刚石粒子时，应在悬浮有DND3-5%的溶液中超声，这一过程也有助于将DND 粒子嵌入到材料的表层，直到达到结晶中心所需的均一的浓度。使用DND 形成前体实际上也大幅的提高了金刚石和类金刚石CVD 薄膜在各种表面的附着力，这里的工作机制与上述DND 复合涂层的制备是一样的。

1.12 通过CVD(化学气相沉积)产生光子晶体

目前光子晶体引发巨大的研究兴趣。这些晶体是周期性两到三维结构。透明光学辐射的折射系数随一段接近或等于通过光的波长。衍射伴随光子晶体在这样带给生活的传播现象类似于管理的运动电荷载体在半导体晶体。一个能带形成特定能量的光子，就像它对航空公司在半导体行业一样。光子晶体结构开放设计的方式，自适应光学波导、高效太阳能转换器，照明的来源，并为直接加工和设备显示光学信息没有初步转换成电信号。这可以通过创建内部很容易达到这样的周期性结构区域与不同平均折射指标，与非线性介质区域，主动发光中扮演地区的辐射排放部分。直到最近，合成蛋白石，结构组成亚微米大小的二氧化硅球体均匀分布于聚苯乙烯矩阵，是唯一真正的光子晶体。

结晶中心技术的进步是生成基于4 纳米DND 粒子悬浮液的使用，允许一个目前准备大量光子晶体组成的有规律排列的二氧化硅球和多晶CVD 金刚石来填充它们之间的空隙。第一个晶格是薄膜由密集的二氧化硅球体，直径约500 纳米，之后球体之间的空隙是由水悬挂DND 的毛细管效应。随着水蒸发离开球体的表面组成的薄膜涂层DND 粒子。紧接着薄膜被存入一个反应堆，CVD 金刚石在微波等离子体进行放电。CVD 方式设置这样的金刚石结晶DND 粒子填充均匀空间分离的二氧化硅球体。最终产品是一个大部分结构组成的多晶金刚石与定期分布式的二氧化硅球体接触，这揭示了光子晶体的性质。球体的接触是一个有利因素通过简单的化学腐蚀提供完全移除它们的可能性。有规律排列的三维结构球形孔隙直径约500 纳米左右这种处理代表所谓的反向组成完全光子晶体多晶金刚石。新技术包括DND 开辟了新的视野领域的研究和应用光子晶体，通过允许，例如，加入他们的组成粒子的发光中心初步创建作为结晶中心和非线性光学介质的填充空洞，和使用光刻的方法开发了多晶金刚石薄膜。

1.13 吸附剂和色谱分析法

干DND 粉的比表面积是370 - 450 m2 / g，这取决于聚合的程度。虽然这个数字小于其他纳米碳材料好几倍，包括着单壁球长大的纳米管、纳米纤维、无序石墨烯、纳米多孔碳，但是结合它的机械强度和化学惰性以及它的表面可功能化这些方面考虑，DND 在高效吸附剂方面有好的应用前景，包括在生物体吸附毒素。热压粒状DND 可用作离子色谱固定相，在碱土和过渡金属离子的分离中是不可缺少的。当分离聚芳烃、单烷基苯聚苯等时，稳定的烧结阶段DND 可达到每米45000 理论踏板数的分离效率，这个数字大大超过传统上使用的有相应特征的色谱固定相，包括硅胶、氧化铝和各种多孔碳材料。当固定相中存在DND 时，在生物活性的分离包括蛋白质的分离时效率更高。DND 的无毒的本质是一个基本的因素。DND 在生物学和医学领域的应用目前是大热点。不仅涵盖了吸附剂和色谱还通过细胞膜的靶向药物输送系统给药，各种生物标记，用于系统的测定生物体的生物活性药物的浓度和一系列其他的问题。

1.14 催化剂

近年来DND 作为金属催化剂的载体引起了人们极大的兴趣，特别是铂族金属。通常使用中性且化学性质稳定的粒子为载体，而用的最多的金属催化剂是铂族金属，将粒子沉积在其表面，能明显提高催化效率，同时减少珍贵和稀有金属的开支。由于DND 的化学稳定性好、机械强度高、体积小故DND 被认为是一种理想的催化剂载体。含DND 的铂涂层用作大气中一氧化碳的高灵敏度传感器，是通过一氧化碳氧化为二氧化碳来实现的。

DND-钯的复合物在不饱和烃加氢反应中表现出催化活性。以DND 为载体的催化剂的优势是并不剂仅仅局限于氧化和碳氢化合物的加氢的反应。举一个例子，DND-铜复合物由还原硫酸铜制得，能明显加速分解高氯酸铵和环丙烷三硝基胺，该物质用作火箭燃料组件。

DND 除了作为催化剂载体，DND 粒子本身在一定条件下表现出催化活性。研究发现DND 粒子能够提高乙苯氧化脱水率,可用于生产苯乙烯的反应。在这种情况下，DND 的催化活性来源于金刚石颗粒表面存在的sp2 杂化碳。毫无疑问，以DND 为基础的催化剂在化学、生物学和医学等领域都有广阔的发展前景。

1.15 液体冷却剂

DND 的一个新的，潜在的应用领域是在基于所谓的nanoliquids 冷却系统中作为高效的传输媒体，也就是说液态悬浮液的纳米颗粒具有高的热导率。发现添加0.3%（质量分数）DND 可以使液体的热导率增加超过40%。这一现象是基于共振声子传播。DND 首次是作为添加剂加入到石油高压变压器，以增加其热导率。这能够消除由于当地石油过热产生的内部故障同时能使整个工作温度降低。