话说纳米金刚石的应用

发布时间:2022-11-24 20:32:53 浏览次数:338<


由于纳米金刚石在强度、硬度、导热性、纳米效应、重金属杂质、生物相容性等方面具有独特性能,在精密抛光和润滑、化工催化、复合镀层、高性能金属基复合材料、化学分析及生物医药等领域得到广泛应用,并显示出良好的应用前景。

表1金刚石特性与应用之间的关系

话说纳米金刚石的应用(图1)

话说纳米金刚石的应用(图2)

  表1列出了基于金刚石性能而展开的主要应用领域。

  1.超精密抛光和润滑

  纳米金刚石抛光膏和悬浮液用于电子、无线电、医学、机械制造、宝石等行业,对材料进行精密抛光。优点可在固体上获得超光滑表面,低缺陷,粗糙度可达Ra2-8nm。

  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,从而将纳米金刚石中粒子引入摩擦副之间,起到显著的减摩耐磨作用。

  就像在表面安装了“超微型轴承”,由此将原来的滑动摩擦变为滚动摩擦,使摩擦系数降低20余倍。由于“滚珠轴承结构膜”可以自动在划伤处起极佳填充修复作用,可以提高缸压10%以上。

  “纳米滚珠”具有每秒几米的热运动速度,在金属表面起着维护作用,防止胶质的沉淀,从而提高了润滑油的抗氧化性,可延长换油周期两倍以上。采用纳米金刚石球形颗粒为减摩载体的“滚珠轴承结构膜”,不但强度高而且具有超微型特性,所以绝不会堵塞机油管路,再精密的发动机也尽可放心使用。

  2.增强橡胶和树脂

  利用纳米金刚石兼具有纳米粒子和超硬材料的双重特性制造增强橡胶、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前景广阔。

  3.增强金属基复合材料

  增强型金属材料是纳米金刚石复合镀层和弥散强化型金属材料。复合镀层能有效提高涂层与基体之间的结合強度,纳米金刚石复合镀层具有超硬、高耐磨和耐热防腐的性能,可用于金属表面和橡胶、塑料、玻璃等表面的涂敷。纳米复合镀基体主要有镍、铜、钴等,含有纳米金刚石的复合镍镀层用作磁头或磁盘耐磨保护层与普通镀层相比,其硬度增加了50%,耐磨性能的增加更显著。

  4.电子行业

  纳米金刚石具有宽禁带、高电子与空穴迁移率,禁带宽达5.5eV,比常用半导体硅材料高5倍;空穴迁移率是硅的4倍,电路运行速度大大提高。由于辐射引起的载流子在金刚石半导体上不易积累,不会影响器件的特性,因而纳米金刚石是制造高可靠性、抗辐射半导体器件的理想材料。

  此外,纳米金刚石还具有优异的冷阴极发射场效应,是十分理想的高清晰、低能耗、可替代液晶的大视角超薄平面显示器材料。用纳米金刚石制成膜,可作集成电路、磁盘、磁头等高级保护膜。

  5.纳米金刚石膜真空窗口

  与其他真空窗口其他材料相比,纳米金刚石膜有许多优异性能,如高的硬度、高弹性模量、高导热率、低膨胀系数、宽光谱透过范围等,使其成为一种极佳的真空窗口材料。

  用CVD制备的微晶金刚石生长面较粗糙,在使用前需要进行抛光,难度大;此外,在抛光过程中会产生一些缺陷和微裂纹,影响金刚石性能。纳米金刚石同样具有微晶金刚石的优越性能,而且生长表面较平整,不需要抛光就能作为真空窗口材料。例如2013年Campos等报道了采用热丝CVD制备了各种形状的自支撑纳米金刚石作为同步加速器的电子真空窌窗口的研究。

  6.电学器件、单光子源和电化学电极的应用

  通过在纳米金刚石薄膜中注入杂质离子,并进行热氧化退火处理,有效提高了薄膜的电学性能,获得了高迁移率的n型纳米金刚石薄膜;并发现退火温度增加到800℃以上时,薄膜的电学性能由p型转变为n型,其转变的原因主要为纳米金刚石的表面终止态“由氢终止转变为氧终止”。采用氧离子体处理的纳米金刚薄膜,首次获得尺寸仅为2-4nm的含有小于3个SiV色心纳米金刚石;制备了具有新颖微结构的纳米金刚石薄膜,通过氧化处理大大提高其发光性能,并发现纳米金刚石薄膜中存在网络状和枝晶状等生长模式;发展了制备SiV发光单晶金刚石的方法;采用氧化法提高了硼掺杂纳米金刚石薄膜的电学和电化学性能。研究结果对于实现纳米金刚石在电学器件、单光子源等方面的应用有重要意义。

  7.低维光电器件的潜在应用

  基于第一性原理,研究了未氢化和氢化的二维(110)金刚石纳米薄膜的结构和电学性能与层数n之间的关系。结构优化后,对于层数为n=1和2的(110)金刚石纳米膜,初始的褶皱二维金刚石重构成平面石墨稀;对于层数大于等于n3的二维金刚石膜,以及单侧、双侧氢化的二维纳米膜,更容易保持初始的金刚石结构。所计算电学性质结果表明,二维金刚石和单侧氢化的二维金刚石纳米膜表现出金属特性,两侧氢化的结构表现为半金属特性。理论计算表明,二维金刚石层数n以及表面修饰能够有效影响二维原子层厚度(110)金刚石纳米膜的结构和电学性质。预示着二维金刚石纳米膜在许多领域,尤其是在低维光电器件制造中的潜在应用。

  8.燃料电池和超级电容器

  能源供应不足的矛盾日益突出,环境污染问题也越来越严重,开发和利用新能源有助于缓解能源供应和环境带来的压力。近年来,新能源逐渐成为业界研究的热点,能量转换技术越来趆越受到各方面的重视,成为解决未来新能源产业发展的关键环节。而决定能量转换技术的根本因素是能源转换材料。因此,研究和开发高性能、低成本的能量转换材料是研发工作的核心。

  纳米材料具有与大颗粒或块状物质完全不同的特性,如纳米尺寸的表面效应和体积效应,以及特殊的光、电等方面的性质。这为其在能量转换方面的应用提供了极大的可能性。但在利用纳米材料某种特性的同时,常会被其一些附属性质影响,阻碍了纳米材料的应用。

  于是,张艳,王艳辉等采用金属钛(锰)粉与纳米金刚石(ND)、纳米碳化硅(SiC)等充分均匀混合后,将混合物放入真空炉中进行真空镀覆处理。

  催化剂中的载体材料对催化剂的催化性能起着至关重要的作用。与活性炭等传统的载体相比,纳米金刚石(ND)具有高的热稳定性和高的抗腐蚀能力等诸多优点。

  Zhao等制备的Pt-Ti/ND催化剂的起始电位和极限电流密度均明显优于Pt/ND催化剂。这归因于载体导电性的提高和Pt与TiC层的协调作用。Pt-TI/ND与Pt/C催化剂的极限电流密度和相当,但是表现出相对右移的起始电位。上述结果均说明Pt-Ti/ND催化ORR的催化活不仅表现出比Pt/ND高得多的催化活性,而且比Pt/C也表现出更高的催化活性。

  Ti/ND、Ti/SiC和Ti/Si3N4作为Pt催化剂载体材料表现出优异催化活性和稳定性,有效地提高了直接甲醇燃料电池的效率。近年来,因二氧化锰(MnO2)具有成本低,资源丰富乐和环境安全等优点,其用作超级电容器材料的前景吸引了极大的注意。

  9.结语

  根据纳米金刚石的性能,综合文献资料和主要应用情况,实际上纳米金刚石及其功能复合材料的应用领域远不止这些,其应用前景非常广阔。现在,除了纳米金刚石用于精密研磨和抛光外,其实际应用还很少。随着对纳米金刚石作为功能复合材料的研究不断深入,纳米金刚石及其功能复合材料将获得越来越多的应用。