新材料的研發是我國重點發展的高新技術領域之一,而納米材料又是其中的佼佼者。據權威機構推測2010年全世界納米材料市場規模已超過2000億美元。隨著國際科技進步及工業向高精尖的發展,納米技術已成各國競相發展的重要領域之一。真正批量生產粒徑為幾個納米的材料只有納米金剛石等少數幾種。
金剛石又叫鉆石。談到鉆石人們首先想到的往往是最珍貴的飾品,但其絕大多數應用在工業和科研領域。它具有多項世界第一:硬度、折光率、導熱率、聲速最高,而熱脹系數、摩擦系數最小,且化學性質最穩定。納米金剛石既具有金剛石的特性,又具有納米材料的特性。因而它的功效是其它諸多材料無法比擬的。在精密拋光、高性能潤滑、電鍍、復合材料等領域中的應用是其他材料無法替代的。許多領域在試用納米金剛石之后,收到了遠遠超乎預料的奇特效果。無怪乎它被一些科學家和工程師稱為二十一世紀的“神圣材料”和“工業維他命”。但在我國,它的廣泛應用尚處于啟蒙階段,其前景不可估量。
目前,我國在納米金剛石的制造領域,從產能上已走在世界前列,但在應用領域比獨聯體及歐美日韓等國還有許多差距。
納米金剛石主要是用負氧平衡法引爆炸藥制取的,通常稱之為爆轟法。它可大批量制造出粒徑小于20納米,平均粒徑位于2~6納米。它的單位質量顆粒數量級高達1018粒/克,所以它的納米材料之優異性能表現得淋漓盡致。而目前其它納米材料批量制造的大多是20納米以粗。
由于粒徑小到納米級,表面原子所占比例可達百分之幾十。這使得它的許多理化指標與靜壓法生產的金剛石差別較大。
納米金剛石的應用領域極其廣泛,應用的難點在于如何避免團聚而使其保持超分散狀態。天津市乾宇超硬科技有限公司利用自主知識產權,通過專有的表面改性工藝,使其長期處于超分散狀態,從而使它的優異性能得到較好的發揮。該公司在一些領域做出了許多有益的探索。
納米金剛石潤滑油
由于油中加入納米金剛石后,滑動摩擦變成滾動摩擦,摩擦副表面逐漸改性,形成又硬又滑的金屬碳化物。因而它的減摩抗磨效果是用有機化工的辦法無法比擬的。臺架實驗表明:在EQ6100-1型汽油機上使用納米金剛石發動機油后,輸出功率平均提高4.2%,最高可達6.4%。燃油消耗率平均降低4.7%,最高可達10.3%。氣缸壓力提高28.9%。怠速轉速提高10.2%。發動機怠速碳氫化物排放降低60%,氮氧化物排放降低20.5%。總之,發動機動力性、經濟性和排放性均有較大改善,氣缸密封性提高,且具有較好的減摩效果。對發動機具有免拆卸清洗功能,冬季更易點火,發動機油的使用周期成倍延長。納米金剛石磨合油可使發動機的磨合時間縮短30~50%,汽缸壓力提高7~10%,缸套硬度增加10~20%,粗糙度明顯改善,磨合油使用周期大大延長。
納米金剛石渦輪蝸桿油可使磨損量減小30%~80%,機械效率提高2%,對摩擦副具有自修復功能。納米金剛石液壓導軌油可使油膜的勁度系數提高20%。
納米金剛石潤滑油用于多種運轉設備,如發動機、空氣壓縮機、真空泵、減速機、齒輪傳動系統等,均可降低設備的震動和噪聲。由于它對摩擦副具有特殊的改性和自修復功能,因而可使設備更長時間處于最佳工作狀態。
納米金剛石拋光液
納米金剛石拋光液與納米硅溶膠相比拋光效率可提高4倍,表面粗糙度顯著降低。用其對碳化硅晶體、藍寶石、硬盤磁頭、微晶玻璃等難加工的硬脆材料進行拋光,近年來發展極快。對碳化硅晶體拋光后其表面粗糙度可達0.1~0.3納米。
這可使計算機的硬盤表面達到超光滑,從而滿足當前存儲密度達到15.5Gb/平方厘米的最高要求。
納米金剛石涂料
將納米金剛石分散到多種涂料中均可使其性能得到明顯改善。涂料有一個重要的技術指標耐擦洗次數,一種內墻涂料加入納米金剛石后可使其數值由200~300提高到3000以上。一種水泥建筑物用的柔性涂料中加入納米金剛石,可使拉伸強度和斷裂伸長率同時提高近二成,而用其它方案是不可能同時改善的。耐腐蝕性亦可成倍提高。一種金屬材料用水性涂料加入納米金剛石后,置于5%鹽水浸泡,起泡時間由100多小時延長到600多小時。
初步試驗表明,表面改性適宜的納米金剛石對皮膚癌細胞的殺傷力接近70%,而對正常細胞沒有副作用。
此外,納米金剛石在復合材料(橡膠、塑料……)、復合涂層和環保領域均顯示了優異性能。加有納米金剛石的塑料膜極易附著在金屬上而不需要加粘結劑。加入納米金剛石的硅膠其強度可提高1~3倍。在Cr鍍液中加入納米金剛石,可使沖模壽命提高10倍以上。原鍍金鍍層厚4微米,加入納米金剛石后可使鍍層減少至2微米而保持鍍層完整無空洞,其耐磨性還大幅提高。鍍后表面色澤與不加納米金剛石的一樣。原鍍1平方米需80克金,而加納米金剛石后僅需40克金,可節省1萬多元,其中僅需加入0.4克納米金剛石。除了上述在發動機油中可明顯減低尾氣發放外,它還可有效地過濾重金屬和放射性物質。在溶液中,1克納米金剛石可吸附50克Ni。潤滑油使用周期延長不僅提高了用戶的經濟效益,其本身就是對環保的巨大貢獻。
因此,有關專家認為,推廣應用納米金剛石是利國利民的大好事,是低碳經濟的促進劑。但由于其超前較大,或者說過于超前,國人知者甚少,因而應大力宣傳。專家們建議,政府有關部門應給予資金和政策的大力支持,否則,只是出口大量的原材料,而真正的經濟效益和社會效益都落在了發達國家里面。