材料 纳米金刚石

材料与社会文明作业

——纳米金刚石

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纳米金刚石

随着社会的发展、时代的进步，人类对生活所用材料的要求也大大提高。新世纪的一大挑战就是能否研究出功能强大的新材料。近年来,人们对纳米材料的研究已经渗透到许多研究领域，由于其所具有的特殊结构和性质以及广阔的应用前景越来越受到人们的广泛关注，纳米结构材料的研究已成为跨世纪材料学的研究热点,这种材料被誉为: “21世纪最有前途的功能材料”。金刚石作为目前世界上最硬的物质,自古就是一种令人注目的稀世材料,除做贵重的装饰品外,超高的强度和硬度使其成为重要的磨削材料。金刚石具有许多优良的性能,如硬度高、化学稳定性、导热性热稳定性良好等。纳米金刚石除具纳米材料和金刚石的一些基本性质外还具有其特殊的性质,如化学活性大,德拜温度低等。

纳米材料，1～100nm 的纳米尺寸结构, 具有单个分子和体相材料之间的特殊性质。由于物质进入纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中可忽略的物理效应。据目前对纳米颗粒的研究,这些效应主要有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。

表面效应，纳米级结构表面原子数随纳米结构尺寸的减小而急剧增大, 这种表面原子数随纳米结构尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的变化称为表面效应。纳米级结构尺寸减小,表面原子数急剧增加,比表面积、表面结合能迅速增大。由于表面原子数的增加,原子配位的不足必然导致纳米结构表面存在许多缺陷,使这些表面具有

很高的活性,极不稳定性,很容易与其它原子结合。这种原子活性不但引起表面原子输运和构型的变化,同时也引起表面电子自旋构相和电子能谱的变化。对纳米材料的光学、光化学、电学及非线性光学性质等具有重要影响。这些还会引起量子尺寸效应，小尺寸效应以及宏观量子隧道效应。

金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料,莫氏硬度为10 ,维氏硬度高于98GPa ,其耐磨性和研磨能力超过了所有磨削材料。金刚石的弹性模量极大,约为980GPa , 抗压强度约为13GPa , 抗拉强度约为3. 4GPa。金刚石在空气中的摩擦系数极小,只有0. 1左右。金刚石的熔点在3000 ℃以上,热导率是已知材料中最高的,室温下为2000W·m- 1K- 1,大约是良导体铜的5倍。金刚石热膨胀系数与温度成正比关系,随温度的上升而线性增大,一般为1. 5×10 - 6～4. 8×10- 6 ℃- 1。金刚石是透光波段最宽和透光性能最好的材料,从紫外光到可见以及红外光(除2～6μm处吸收外)的波段内透光率都很高,还能透过x 射线和微波。金刚石中的传声速度约为16200m·s- 1,是传声速度最快的材料。

纳米金刚石除具有纳米材料和金刚石的一些基本性质外还具有某些特殊的性质,如化学活性大,德拜温度低等。

晶格常数大：X衍射分析表明,纳米金刚石晶格常数为0. 360～0. 365nm ,比天然立方结构金刚石的晶格常数稍大,谱峰的展宽较严重,这是由于纳米微晶的尺寸效应和晶格畸变共同作用造成的。通过谱线分析,对这两量进行分辨和测量的结果显示,纳米金刚石晶粒尺寸在

2～12nm ,晶格畸变为0. 2 %～1 % ,这些都比静压法合成的金刚石的畸变程度要大两倍左右。

规则的形貌：高分辨率透射电镜研究表明,纳米金刚石大多为单晶,粒径分布与小角x射线散射的结果一致,其表面形貌呈较规则的球形或类球形。对纳米金刚石的扫描电镜研究表明,纳米金刚石中存在着微米和亚微米尺寸的团聚体,有的团聚体还具有菱形或球形结构。

比表面较大：由于纳米金刚石有很大的比表面(达到200～420m2/ g) ,从而具有很强的表面活性,可吸附大量杂质原子或基团。通过傅立叶红外光谱分析发现,纳米金刚石表面吸附有- COOH , - OH , = C = O 等官能团。随着使用氧化剂的不同,还含有氯酸根,硫酸根和含氮官能团等。而静压法合成的金刚石纯度要高于纳米金刚石,金刚石碳含量介于纳米金刚石和天然金刚石之间,一般在95 %以上。

德拜温度低：物质的德拜特征温度是固体的一个重要物理量,不仅反映晶体点阵的动畸变程度,还是该物质原子间结合力的表征。物质的弹性、硬度、熔点、比热等物理量都与原子间结合力存在着一定的关系,相英伟等算出了纳米金刚石的德拜特征温度是364K(这比实际测出的德拜温度低) ,而大颗粒金刚石单晶的德拜特征温度是1800～2242K,这表明其原子间的结合力已大大减弱,并且原子中心偏移平衡位置的振幅增大了2. 4 倍,导致纳米金刚石的活性增大。

化学活性：热稳定性是一个表征纳米金刚石性质的重要指标, 纳米金刚石在空气中的起始氧化温度为500～530℃,比宏观大尺寸金刚

石的表面起始氧化温度低,这主要是由于纳米金刚石超强的化学活性和晶体结构的严重不完整性造成的。

综上可知,纳米金刚石具有颗粒小而且比表面积很大的独特性质,具有特殊的机械、光电、热、磁性能,能在机械、电子、化工、医疗等领域中得到广泛应用。

1. 用作添加剂以增强塑料和橡胶的强度

研究发现, 纳米材料应用在塑料中, 可以使其杨氏模量急剧上升,其原因可能是材料粒径小,比表面积大。表面层内原子所占比例大,可以与聚合物充分的吸附、键合;可使材料的断伸长率比微米级填料更大微米级材料可使塑料纵向伸长率提高10.7 % ,横向伸长率提高21. 1% ,而纳米级材料则可使纵向伸长率提高13. 3% ,横向伸长率提高32. 6%。因此,纳米金刚石作为纳米材料,由于其硬度高、粒径小、比表面积大,可以填充到塑料中用来提高其强度。

2. 作为复合镀层添加物

复合电镀是一种提高镀层硬度和耐磨性能的方法。用电镀或电刷镀法制成的含金刚石粉的复合镀镍层,与不含金刚石粉的镀镍层相比,其硬度增加50% ,耐磨性能的增加更显著。例如,用电刷镀法制成的不含金刚石粉镀镍层的磨损量为18. 3mm3·nm- 1,而添加金刚石粉后的镍镀层其磨损量可降低到10. 0 mm3·nm- 1。有人使用类似方法制成磁盘或磁头的耐磨保护层,也取得了良好的效果。如果用纳米金刚石粉做成复合镀镍层,与含金刚石粉的复合镀镍层相比,其硬度和耐磨性能可能会更好。