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炸藥爆轟納米金剛石的制備和技術應用

       1.引言

 
      文章綜述了利用負氧平衡含碳炸藥制備納米金剛石粉的研究和開發(fā)工作進展情況。此方法是80年代未發(fā)展起來的人工合成金剛石的新方法，其產(chǎn)物(納米金剛石)是合成金剛石的一個新品種，用這種方法制備的納米金剛石粉主要性質(zhì)如下：

 
      (1)X-射線衍射(XRD)譜上只有立方晶系金剛石的三個特性譜線，沒有出現(xiàn)其他雜質(zhì)譜線；因此，金剛石相的純度在95%以上。
 
      (2)透射電子顯微鏡照片(圖1)表明，其基本顆粒為直徑5nm～15nm的微球，聚集成微米尺寸的聚集體。

       (3)密度為3.26g.cm－3～3.43g.cm－3；比表面積240m2.g－1～450m2.g－1。

 
      (4)紅外光譜圖表明這種金剛石表面有多種含氧功能團，所占面積可達顆粒表面的10%~20%，因此，這種產(chǎn)物屬于類金剛石。

組成見表1

表1.類金剛石元素組成

 

元素
 C
 H
 N
 O
 
含量×100
 84～90
 0.5～0.6
 1.5～2.0
 其余
 

     (1)炸藥用量Q（單位kg）與爆炸容器體積V（單位m3）的關系以Q＝0.5V為宜。

 
      (2)冷卻介質(zhì)對在爆轟區(qū)內(nèi)生成的含金剛石固體爆轟產(chǎn)物起著“淬火”作用。較好的冷卻介質(zhì)有氣體二氧化碳和液態(tài)水兩種，其結果見表2、表3。

       2.制備方法及其影響因素

 
      這種納米金剛石粉的制備方法較簡單，主要工藝流程：將TNT／RDX混合炸藥放在充有惰性介質(zhì)(例如水或CO2）的密閉爆炸容器中進行爆炸，即可收集到黑色的固體爆轟產(chǎn)物(黑粉)，經(jīng)過純化，除去其中的雜質(zhì)和非金剛石碳，即可得到淺灰色的納米金剛石粉。

       影響金剛石收率和性質(zhì)的主要因素有：

       (1)炸藥的組成、裝藥形狀、質(zhì)量和結構的影響結果表明，用TNT／RDX　40～60／60～40混合炸藥得到的納米金剛石收率最高(以炸藥用量為基礎)；而隨著炸藥中RDX含量的增加，納米金剛石的顆粒尺寸增大。裝藥形狀選擇圓柱形和藥量大于0．5kg的結果較好。

表2冷卻介質(zhì)CO2和水對金剛石性質(zhì)的影響[8]

金剛石性質(zhì)
 冷卻
 介質(zhì)
 
CO2
 水
 
平均相干尺寸/nm
 5～6
 1.2～2.0
 
結晶平均尺寸/nm
 5～6
 2.0～3.5
 
比表面積/m2.g-1
 200～280
 360～420
 
顆粒形狀
 球狀
 薄膜狀*
 
金剛石粉密度/g.cm-3
 3.20～3.30
 3.05～3.10
 
堆積密度/g.cm-3
 0.35～0.40
 0.30～0.32
 
氧含量×100
 5～10
 2～10
 
不燃殘余物×100
 5～7
 0.1～0.3
 
對苯蒸汽的相對吸附
 1.0
 1.5～2.0
 
活性/mmol.g-1
 

注:用高分辨電鏡進行研究的結果表明這種金剛石也是球形的

表3冷卻介質(zhì)CO2和水對黑粉性質(zhì)的影響
 

黑粉的性質(zhì)
 冷卻
 介質(zhì)
 
 
 CO2
 水
 
比表面積/m2.g－1
 200～280
 360～420
 
黑粉中的最大金剛石含量×100
 54
 75～85
 
達到最大金剛石含量的裝藥量／kg
 0．5
 不限
 
黑粉的相組成
 －
 －
 
超細金剛石×100
 15～54
 60～85
 
渦輪葉片狀碳×100
 15～30
 5～34
 
無定形碳×100
 －
 1～5
 
二價碳×100
 －
 1～5
 
超細石墨×100
 40～60
 5～15
 
對苯蒸汽的吸附活性
／mmol.g－1
 4.3～5.1
 8.1～9.2
 
對白蛋白的吸附活性
／mmol.g－1
 45～53
 85～110
 

      (4)金剛石的純化方法一般是先用鹽酸除去其中的金屬(主要是鐵)雜質(zhì)；然后用氧化法除去各種非金剛石碳。所用的方法可分為氣相氧化法和液相氧化法。用氣相氧化法制成的金剛石粉具有較高的抗氧化穩(wěn)定性；液相氧化法的操作比較簡單，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而目前仍然被廣泛應用。
 

3.應用與展望

 
      納米金剛石具有顆粒極小而且比表面積很大的獨特性質(zhì)，具有特殊的機械、光電、熱、磁性能，可望在機械、電子、化工、醫(yī)療等領域中得到廣泛應用。
 

3．1 作為潤滑油添加物

 
       添加了該金剛石的潤滑油，其潤滑性能和減磨性能都有明顯提高，在發(fā)動機上進行應用試驗，取得了良好的結果。我們也進行一些研究，在石臘油中添加0．5％含金剛石黑粉后，磨損量大大降低。尤其當載荷較大時效果更顯著。例如，在同樣條件下進行摩擦，當載荷為100N，基礎石蠟油的磨損量為1.2×10－3mm3，添加金剛石粉后磨損量下降為0.15×10－3mm3左右；而當載荷增大到200N，磨損量分別由2.4×10－3mm3，下降為0.3×10－3mm3可見效果更加明顯。
 

3．2　作為復合鍍層添加物

 
       復合電鍍是一種提高鍍層硬度和耐磨性能的方法。用電鍍或電刷鍍法制成的含金剛石粉的復合鍍鎳層，與不含金剛石粉的鍍鎳層相比，其硬度增加50%，耐磨性能增加更顯著。例如，用電刷鍍法制成的不含金剛石粉鍍鎳層的磨損量為18.3mm3.nm－1，而添加金剛石粉后可降低到10.0mm3.nm－1。有人使用類似方法制成磁盤或磁頭的耐磨保護層，也取得了良好的效果。
 

3．3　作為精細研磨材料

 
       用這種金剛石粉制成的研磨液或研磨塊，可以磨出光潔度極高的表面。例如：可制成表面光潔度要求極高的X-射線反射鏡；用含有這種金剛石粉的研磨液對陶瓷滾珠進行磁流體研磨，可得到表面粗糙度只有0．013μm的表面。
 

3．4　其它應用

 
      將這種金剛石粉用于制造電子成象的感光材料，能明顯改進復印機的性能；用該金剛石粉做生物抗源載體，制造某些抗體藥物，取得了良好結果；將這種金剛石粉涂沫在用于化學氣相沉積金剛石膜的單晶硅基片上，在硅片上就可以形成金剛石微晶層，在進行化學氣相沉積時，可大大加速金剛石膜的生長速度和提高膜的成核密度。實驗證明，在同樣的CVD條件下，硅片上金剛石膜的成核密度可提高兩個數(shù)量級。
 

此外，用金剛石作為電子場發(fā)射材料具有許多特點，有可能在平面顯像裝置中得到應用。有人用這種納米金剛石粉進行了嘗試。我們也進行了這方面的研究。初步結果表明，用納米金剛石粉涂敷在硅片上制成的薄膜，其場電子發(fā)射性能優(yōu)異，最低起始電壓只有3．2V.μm－1，最大發(fā)射電流可達20mA.cm－2，均明顯優(yōu)于CVD金剛石膜。而且還有一個優(yōu)點是，經(jīng)過1h連續(xù)發(fā)射后，用顯微鏡觀察金剛石膜，沒有任何損傷。這方面的研究我們正在繼續(xù)進行中。