纳米金刚石DLC

第五讲纳米金刚石、类金刚石碳

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目录

z纳米金刚石

z(类)金刚石碳（Diamond like carbon）

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金刚石

1克拉=0.2克

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•“格拉夫钻石公司”2006年10月19日在伦敦肯辛顿首次展出了一颗名为“梦之钻”的钻石，该钻重达100克拉，颜色为鲜艳的嫩黄色。这颗稀有钻石价格高达1300万英镑（约合2096

万美元）。

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•天然金刚石晶体的形态：最常见的为八面体，菱形十二面体，立方体等；

•人造金刚石的晶体形态：菱形十二面体、八面体、立方体

等

人造金刚石实物

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•天然（C12/C13≈89.24~89.78）

•杂质主要为：

–N（~0.25% I型，<0.001% II 型），O（~1.5%）–Na（4.4×10-9~4.4×10-6g/g）,Mg

（~0.001%）

–Al（0.1×10-8~20×10-8g/g）,Si

（0.0046~0.01%），Ti（<0.001~0.005）

–P、Ca、Fe、Co、Mn、Cr等

•人造：杂质与所选用的金属或合金有关

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天然金刚石和人造金刚石的差异：

天然金刚石的生长温度（估计1000-3000度）比人造金刚石（1400度以上）低

人造金刚石晶体上的生长螺线与天然金刚石上的螺线不同，人造金刚石{100}面上的生长螺线是平行于{111}面矩形，具有不平坦台阶，高度通过超过几十纳米

形态之间存在的差异可能由于生长单元的大小不同所造成。

纳米金刚石

•纳米金刚石（Nanodiamond），苏联科学家首次制备，发展了20多年。

•制备方法：

石墨高压相变法

化学气相沉积法

炸药爆炸法(目前主要用炸药爆炸法制备)

纳米金刚石具有金刚石材料和纳米材料的双重特性

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纳米金刚石的特点

1、颗粒尺寸范围为2～20 nm，平均粒径为5nm；纳米金刚石

大多为单晶，表面形貌呈较规则的球形或类球形；密度为

3.05～3.3g/cm3；颗粒易团聚。

2、比表面积大（200～420m2/g），表面活性高，H、O、N等

原子与纳米颗粒表面碳原子悬空键结合，形成羟基、羰基以及

一些含氮基团，可吸附大量杂质原子或基团。

3、石墨化转变温度较低，其转变产物为洋葱状富勒烯。

4、纳米金刚石的团聚现象严重，纳米金刚石平均粒径只有

5nm，为了降低表面能，纳米颗粒聚集成20～30nm的一次团聚体，然后在通过颗粒表面的官能团结合成数百纳米到数十微米

的二次团聚体。纳米金刚石团聚体的尺寸基本上在以下三个范

围：100～200nm，2～3μm，20～30μm。

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纳米金刚石的高分辨透射照片

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纳米金刚石在1400°C

时退火转变产物的形态

纳米金刚石的应用前景

•超精密抛光

•润滑领域

•催化领域

•复合材料领域

超精密抛光

•超精密抛光

抛光：一种表面加工过程。

超精密抛光方法：化学机械、电解、磁流变、离子束、激

光抛光等。

流体抛光：采用液体喷射加工，磨料喷射加工以及流体动

力研磨加工等方法进行表面抛光处理。

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磁头经250nm金刚石悬浮液和纳米金刚石悬浮液两

种抛光液（CTL抛光机）抛光计算机磁头后的玻璃

面的AFM 图

(a)美国Engis公司1/4um 的微米抛光液的抛光结果

(b)纳米金刚石抛光液

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纳米金刚石抛光：爆轰法合成的纳米金刚石粒径分布很窄（2～20 nm），用分布很窄的纳米粒子作磨料进行抛

光或研磨，可加工表面粗糙度为0.1～1nm的超光滑表面，比传统磨光工艺提高一个数量级。

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润滑领域

•润滑添加剂

纳米金刚石具有强共价键和强烈的亲油疏水特性，可以在

各类润滑油中形成稳定分散的胶体体系，从而将纳米超硬

材料粒子引入摩擦副之间，起到显著的减摩耐磨作用。

同时由于纳米金刚石良好的抗压性能和修复功能，可以充

分发挥其协同增效作用和润滑油添加剂之间的相互作用，

研制出耐磨性能优异的复合润滑油和添加剂。

目前纳米金刚石在该领域的应用比较成熟。

俄罗斯的UPA-Sigma 牌号的磨合油，发动机使用后可提

高寿命1倍节油5~7%。

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SRV高温摩擦磨损试验机

四球磨损试验机

催化领域

•催化与生物载体

爆轰法合成的纳米金刚石比表面积大，具有大量的结构缺

陷，化学活性高，适宜于用作催化剂载体，提高催化效率。

纳米金刚石粉不含重金属杂质，与人体有很好的相容性，

不会使生物抗体发生结构和性能上的变化，不会影响其功

能的发挥，可用作生物载体材料。

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复合材料领域

•增强橡胶和树脂

利用纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性。

在增强橡胶、增强树脂，在提高材料热导率、聚合物降解

温度、强度和耐磨性等方面作用明显，使纳米金刚石在新

型复合材料领域具有广阔的开发前景。

目前橡胶所用的增强剂多为炭黑，用爆炸法合成的纳米金

刚石作为增强剂能使其强度提高1～4倍，明显改善其耐磨性和密封性，同时提高其热导率和抗老化能力。

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