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  • 未来可期:深度解析纳米金刚石未来应用前景

    关键词 纳米金刚石|2020-09-25 10:35:55|来源 Carbontech
    摘要 钻石在人们的脑海里第一印象是光彩照人,闪耀光芒,如果它的尺寸不断缩小至碎小颗粒,乃至微米,纳米级别,您还能认得出来么?纳米金刚石,不起眼的外表,却拥有强大,多功能的内涵。首先,我们...

           钻石在人们的脑海里第一印象是光彩照人,闪耀光芒,如果它的尺寸不断缩小至碎小颗粒,乃至微米,纳米级别,您还能认得出来么?                  

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           纳米金刚石,不起眼的外表,却拥有强大,多功能的内涵。
           首先,我们先来谈谈纳米技术。毫不夸张的说,21世纪是纳米世纪,纳米技术的发展其深远意义堪与18世纪的工业革命相媲美。任何材料尺寸小到纳米级别,其性质发生将发生飞跃。由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的四大效应:小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应,从而具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。
           纳米金刚石,就是其中一大典型材料,不仅具有金刚石所固有的高硬度、高硬度、高耐腐蚀性、高热导率等传统性质,还具有纳米材料特有的个性。

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    目前,纳米金刚石主要制备方法有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种,且已应用于工业化生产。


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           爆轰法合成纳米金刚石生产效率相对较高,与其他合成方式相比,个性显然更鲜明,更适应现代工业生产,通常是以炸药为前躯体的制备方法(采用TNT和RDX炸药为原料),即在爆轰瞬间的高温高压条件下,利用负氧平衡炸药在爆轰时没有被氧化的碳原子,经过聚集、晶化等一系列物理化学过程,形成纳米尺度的碳颗粒集团,其中包括金刚石相、石墨相和无定形碳。用氧化剂除去非金刚石的碳相,就得到纳米金刚石,其回收率约为所用炸药质量的8~10%,金刚石颗粒粒径为5~10nm,经过化学提纯可得到纯度约95~97%。


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           材料的结构、性质决定其用途。

           纳米金刚石性能的应用可分为表面和核两部分,表面性能主要利用它的纳米微粒性能,即颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大以及其特有的四大效应:小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应。核的性能则主要利用金刚石的超硬材料性能,半导体余导热散热特性,宽电位……

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           因此,纳米金刚石具有广泛应用。目前,纳米金刚石主要用于以下几个方面:
           (1) 爆轰合成的超微金刚石CVD法用于制备金刚石薄膜;

           (2) 超微金刚石用于化学复合镀研究;

           (3) 用于润滑油、固体润滑剂和润滑冷却液;

           (4) 烧结体;

           (5) 用于红外、微波吸收材料的可能性:

           (6) 纳米金刚石用于磁性录音系统;

           (7) 用于隐身材料催化方面;

           (8) 将纳米金刚石添加在橡胶、聚合物中,可改善其性能;

           (9) 将纳米金刚石添加到炸药中,可提高炸药的爆炸威力;

           (11) 将纳米金刚石添加到燃料油中.可提高燃油的分散度和燃烧值。

           (12)纳米金刚石电池

           (13)纳米金刚石在生物医疗中的应用

           (14)纳米金刚石在环保领域应用

           (15)超精密抛光(16)发电储能
           超精密抛光——现代电子工业中所要完成的使命
           随着5G通讯时代的到来,电子元件向着大规模、高集成、大功率、小尺寸的方向不断深入,超精密抛光工艺在现代制造业至关重要。超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。同时也被广泛应用于集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天领域。这足以说明超精密抛光工艺,是“技术灵魂”,被列为卡脖子技术清单中,美日牢牢把握了全球市场的主动权,如何突破这一技术,材料也是关键!
           过硬钢材——卡脖子技术难题
           无论是航空钢材还是高端轴承钢,都是中国制造业短板,是卡脖子技术难题。作为工业制造中不可或缺发核心,如何补齐的中国制造业短板,过硬的钢材是关键!
           金刚石颗粒增强钢铁基复合材料(金刚石超级纳米钢族)集超高硬度、超高强度、超级耐磨、超低摩擦系数、高冲击韧性、高导热、高性价比等众多优点于一身。如果能够通过一定的实验条件将纳米颗粒的金刚石扩散渗入钢材内部,将会对其微观结构和力学性能产生巨大影响。这一科研成果如果能够工业化大批量生产,这必将引发战略基础材料、战略前沿材料、高端机械装备制造、先进表面工程领域一场划时代的革命性变革,中国基础制造业的面貌必将为之一新!
           纳米医学——现代医学重要发展方向
           2020年,疫情大爆发,人们对于生命认知与感悟加强,对健康与医疗技术的要求不断提高。
           纳米医学已经成为现代医疗的一个重要发展方向。目前,纳米技术已经成功地用于各种疾病的检测与治疗,美国FDA也已经批准了超过60种含有纳米材料的药品申请。在医疗领域,“早发现,早治疗”已经成为一个医学常识,但传统检测技术的检测精度和准确度都难以达到“早发现”的目的。因此,在检测和诊断疾病方面,众多医疗创新公司将目光转向纳米技术。
           纳米金刚石一直备受关注,托大的比表面积、表面多官能团等性质,通过亲水/疏水作用、静电力等实现对小分子以及大的生物分子的吸附,在生物医疗领域具有重要发展意义。近年来,科学家们也积极地利用纳米金刚石颗粒独特的惰性、生物相容性和根据需求很容易实现功能工程化设计的特性于医药领域中,包括载药、标记、蛋白质分离、抗癌治疗、杀菌等方面 。
           储能环保——可持续发展的重要战略
           储能是国家重点布局的一大战略。在储能领域,钻石也能大放异彩。近期,美国加州NDB公司宣布研发的可续航长达2.8万年的纳米金刚石,这完全颠覆能量方程式!而且如果电池的一部分出现故障,活性纳米金刚石部分可以回收到另一个电池中重新使用。这也意味着,这一发明有可能解决全球主要的碳排放问题!发电开始进入“钻石时代”!
    另外,纳米金刚石薄膜具有优良的场发射性能,其场发射强度要高很多。这是由于纳米金刚石薄膜具有较小的晶粒尺寸,阈值电压较低,很容易从薄膜内发射电子。纳米金刚石薄膜的冷阴极场发射性能远比微米金刚石薄膜优异,用做制备场发射器件,不仅高效而且能大大降低制作成本和能耗。综合来看,纳米金刚石薄膜有潜力成为制备下一代平面显示器的重要材料。
           纳米金刚石具有优异的电学性能、热导率高、禁带宽度宽、高的载流子迁移率使得其在半导体领域内的应用具有极大地潜力。
           纳米金刚石的性能优异,应用范围很广,到目前为止,很多领域的应用都还处于起步阶段,短期内不能被大范围的推广使用。但我们相信材料将改变生活,纳米金刚石的未来值得每一个人的期待。
           基于此,11月17-20日,Carbontech 2020 金刚石论坛将于上海跨国采购会展中心举办。论坛将重点关注金刚石在健康医疗,生态环保,半导体器件,导热散热,珠宝首饰等创新应用,邀请全球行业巨头、顶尖科研团队、学术代表及企业代表共同参会,进行科研学术交流的同时,促进行业繁荣发展。

    参考议题

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