張書達(dá)

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津 300384)

納米金剛石的應(yīng)用(下)
——動壓合成金剛石之五

張書達(dá)

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津 300384)

納米金剛石是納米材料中的一支奇葩,它不僅具有納米材料的優(yōu)勢,而且還具有金剛石的特有性能。文章介紹了它在精密拋光、高性能潤滑、電鍍、復(fù)合材料、涂料、鍍層、環(huán)保甚至癌癥治療等領(lǐng)域中的應(yīng)用。指出許多領(lǐng)域在試用納米金剛石之后,收到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎預(yù)期的奇特功效。

納米金剛石;應(yīng)用;拋光;潤滑;涂料;鍍層;復(fù)合材料;癌癥治療;環(huán)保

臺灣中原大學(xué)康淵教授[32]的試驗(yàn)再次證明了這一點(diǎn),圖9所示為摩擦副的電鏡照片。試驗(yàn)中使用了天津市乾宇超硬科技有限公司提供的呈超分散狀態(tài)的油溶性納米金剛石。可以看出使用納米金剛石潤滑油只能使摩擦副表面得到改性,而這種改性是使它往好的方向發(fā)展且無任何副作用,這是其它的潤滑油難以做到的。因此,推廣納米金剛石潤滑油可大幅降低磨損量,使設(shè)備更長時(shí)間工作在最佳工作狀態(tài),節(jié)能降噪,使設(shè)備意外損壞的概率大大降低,對安全生產(chǎn)是非常有利的。

3 納米金剛石復(fù)合鍍層

一般說來鍍層厚度有一個(gè)下限,低于此厚度會出現(xiàn)空洞。鍍金,原鍍層厚度下限為4μm,加入納米金剛石后可使鍍層減少至2μm,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1m2需80g金,而加納米金剛石后僅需40g金,可節(jié)省1萬多元,其中僅需加入0.4g以下的納米金剛石。表5列出了對常見金屬鍍層的性能改善數(shù)據(jù)。

圖9 軸承鋼試片表面的磨耗形態(tài)Fig.9 Surface abrasion morphology of bearing steel specimen (磨耗試驗(yàn)條件:荷重=150N,滑動速度=1.83m/s,滑動距離=6594m)

表5 納米金剛石對電鍍鍍層的改善Table 5 Improvement of electroplated coating by Nano-diamond

Cr是工具鍍層中最常用的金屬之一。Cr鍍液中加入納米金剛石,可使沖模壽命提高10倍以上。Cr-納米金剛石復(fù)合鍍層可用于多種工具,從而使其使用壽命延長許多倍。具體數(shù)據(jù)見表6[33],如擴(kuò)孔鉆的使用壽命可延長50倍。

表6 鍍有Cr-納米金剛石復(fù)合鍍層的工具壽命延長Table 6 Service life of tools with Cr-nanodiamond composite coatings has bee n_extended

王立平等人采用電沉積法在45#鋼樣品表面制備了含有納米金剛石的鎳-鈷合金基復(fù)合鍍層,結(jié)果表明納米金剛石的彌散強(qiáng)化作用可以有效地提高鍍層的硬度。在干摩擦條件下,納米復(fù)合鍍層的耐磨性較鎳-鈷合金鍍層提高近3倍[34]。

欒新偉等人[35]認(rèn)為鍍液溫度為60℃,電流密度為2A/dm2的共沉積條件下,鍍層的硬度、耐磨性高,鍍層中納米金剛石的沉積量也較高,納米金剛石能夠均勻分布在鍍層中。

4 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。納米金剛石的加入不僅增加涂料的顯微硬度,更加耐沖擊、抗擦傷,而且與基底粘接更牢固,抗腐蝕性、抗水性、熱傳導(dǎo)性均有很大提高。涂料有一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)——耐擦洗次數(shù)。一種中低檔的內(nèi)用乳膠漆,耐擦洗次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值是300。加入納米金剛石后,不同含量的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品分別達(dá)到: 2#是3800,5#是3310。

對于柔性涂料,通常拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率互相制約,但加入納米金剛石后可同時(shí)大幅提高。例如某種柔性涂料,加入納米金剛石后,可使拉伸強(qiáng)度由1.6 MPa提高到1.9 MPa,而同時(shí)斷裂伸長率由220%提高到300%。圖10所示為納米金剛石濃度與柔性涂料性能改善的關(guān)系曲線。

納米金剛石對涂料的防腐性能有很大改進(jìn)。圖11顯示的是一種水性防腐涂料加入納米金剛石后防腐性能的變化。試驗(yàn)是將兩種涂料分別涂刷在相同的鐵釘上,晾干10天后在上面劃開1個(gè)十字,然后浸泡在5%濃度的NaCl水溶液中。166 h后沒有納米金剛石的防腐涂料已經(jīng)開始出現(xiàn)小泡,而加入納米金剛石的涂料直至241h后仍無起泡現(xiàn)象。即使到845h后,含有納米金剛石的涂料僅起了小泡,大約不足0.5mm,而沒有納米金剛石的涂料起了大泡,約5mm以上(c)。

圖10 納米金剛石濃度對柔性涂料性能改善的影響Fig.10 Influence of nanodiamond concentration on the performance improvement of flexible paints

5 納米金剛石復(fù)合材料

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(jié)劑。將納米金剛石加入納米金剛石的硅膠其強(qiáng)度可提高1～3倍。劉曉新等人[36]研究了納米金剛石對橡膠力學(xué)性能的影響。將納米金剛石加入到天然橡膠中無明顯改善,而加入到F橡膠中可使拉伸強(qiáng)度由19MPa提高到21MPa,拉斷伸長率由260%提高到320%。

圖11 納米金剛石對涂料防腐性能的改善Fig.11 Influence of nanodiamond on the improvement of corrosion resistance of the paints

李增榮等人[37]分別對兩種材料的試樣進(jìn)行滲碳、滲納米金剛石處理,發(fā)現(xiàn)滲納米金剛石處理的試樣比滲碳處理的試樣硬度可提高7%和11%.利用T -11摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對其進(jìn)行耐磨性能的測試后發(fā)現(xiàn),通過納米金剛石熱浸滲處理的試樣比滲碳處理的試樣耐磨性能提高很多。通過金相分析發(fā)現(xiàn),鋼材經(jīng)納米金剛石熱浸滲后出現(xiàn)了現(xiàn)在還不知名的新相和新的鐵基合金。納米金剛石熱浸滲技術(shù)提高了金屬材料的硬度和耐磨性能,為易磨損零件的使用壽命的延長提供了一條可靠的途徑。

納米金剛石加入到樹脂中可使后者的性能得到改善。胡曉剛等人[38]以爆轟法合成的納米金剛石作為填料,加入到雙酚A型口腔用光固化復(fù)合樹脂中,金剛石用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):偶聯(lián)劑化學(xué)接枝到金剛石表面,改性后的金剛石在乙醇中的分散穩(wěn)定性得到提高;加入0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的改性納米金剛石后,復(fù)合樹脂的撓曲強(qiáng)度和硬度分別提高35.4%和29.8%,改性金剛石的增強(qiáng)作用明顯優(yōu)于未經(jīng)改性的金剛石;同時(shí)金剛石的加入也改善了樹脂的韌性。

我們曾對一種粘接膠進(jìn)行試驗(yàn),加入納米金剛石后可使粘接膠的拉伸剪切強(qiáng)度明顯提高。加入不同濃度效果不同,最佳效果可使拉伸剪切強(qiáng)度由7.5MPa提高到10.2MPa,相對提高36%。具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 加入納米金剛石可使粘接膠拉伸剪切強(qiáng)度明顯改善Table 7 Tensile shear strength of the adhesive can be significantly improved by adding nano-diamond

6 納米金剛石在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)與醫(yī)學(xué)相互結(jié)合,可望從根本上改變治癌的醫(yī)療水平。傳統(tǒng)的化療是“地毯式轟炸”,而納米藥物可能成為“精確制導(dǎo)導(dǎo)彈”。盡管目前尚不清楚納米藥物何以識別癌細(xì)胞和正常細(xì)胞,但有些試驗(yàn)結(jié)果卻是毋庸置疑的。

經(jīng)過我們特殊表面改性的納米金剛石可殺死皮膚癌細(xì)胞約70%,而對正常細(xì)胞沒有毒副作用。圖12(a)所示為不同工藝制造的納米金剛石對皮膚癌細(xì)胞的殺傷力差別較大,這再次證明不同的制造工藝會帶來不同的應(yīng)用效果;圖12(b)所示為納米金剛石對正常皮膚細(xì)胞無明顯毒副作用[39]。

圖12 納米金剛石對皮膚癌細(xì)胞的殺傷力和對正常細(xì)胞的作用Fig.12 Lethality and the role of nano-diamond for skin cancer cells and the normal cells respectively

從圖12的結(jié)果來看,高濃度的T1、T2和T3明顯降低了癌細(xì)胞的存活率。其中使用了100μg/ml的T3之后,癌細(xì)胞的存活率只有30%(假設(shè)DMSO對照組細(xì)胞的存活率為100%)。同理,使用了100μg/ml的T2之后,癌細(xì)胞的存活率只有38%左右;使用了100μg/ml的T1之后,癌細(xì)胞的存活率為70%左右。

從圖12的結(jié)果來看,使用了50μg/ml和100μg/ ml的T1后,和對照組DMSO比,正常角質(zhì)細(xì)胞的存活率降低了0.2%～0.6%左右,其中以100μg/ml的T1降低細(xì)胞存活率最為明顯。所以100μg/ml的T1對正常細(xì)胞有一定的毒性?？梢?在治癌的場合T1的工藝不可取。而其他的樣本和對照組相比,對正常細(xì)胞的存活率沒有影響,細(xì)胞活得好好的。說明其他樣本的毒性不大(或者毒性和對照組DMSO相當(dāng))。

從以上結(jié)果看,制造納米金剛石的工藝T3是最適宜配制抗癌藥的。

納米金剛石是可以殺菌的。細(xì)菌等微生物有吞噬比牠更小的微粒的本能。一般說來,細(xì)菌的大小約為微米級或亞微米級。而納米金剛石的平均粒徑僅為4～5nm,因此細(xì)菌很“樂意”吞噬這些納米顆粒。但吞噬之后卻長期不能消化,最后導(dǎo)致細(xì)菌死亡。如果內(nèi)墻涂料中含有納米金剛石,不僅這些涂料更耐擦傷,而且具有殺菌功能,從而使室內(nèi)空氣更加清新。

7 環(huán)保

由于納米金剛石的表面原子所占比例大,原子的表面活性極強(qiáng),因而它的吸附作用是很強(qiáng)的。在溶液中,1g納米金剛石可吸附50g Ni。它可有效地過濾重金屬和放射性物質(zhì)。對有害氣體的吸附,納米金剛石更是最有利的工具之一。表8給出了納米金剛石對幾種常見氣體的吸附量。

表8 納米金剛石對某些有害氣體的吸附量及其激活能Table 8 Adsorbing capacity of nanodiamond and its activation energy for certain harmful gases

放射性廢水常用砂子、活性炭過濾,以便降低放射性,從而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。由于納米金剛石的吸附性遠(yuǎn)高于它們,這就可以用很小的過濾池達(dá)到目的。

例如:讓放射性廢水通過2層各35cm厚的砂層,其鐳(Ra226)的濃度變化見表9。

表9 Ra226通過2×35cm砂層后濃度的變化Table 9 Concentration change of Ra226 after passing the 2×35cm sand layer

借助于砂層過濾放射性廢水的效果,可以推測,如用納米金剛石,很可能濾層的厚度不足1cm即可。

結(jié)語

本文是對納米金剛石應(yīng)用的綜述。納米金剛石在諸多領(lǐng)域都取得了令人鼓舞的結(jié)果,甚至許多數(shù)據(jù)都出乎人們的預(yù)料。但真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并得到管理機(jī)構(gòu)和用戶的認(rèn)可還有許多工作要做。任何新生事物都會經(jīng)過一個(gè)痛苦的過程才會發(fā)展起來,納米金剛石也不會例外。但愿同仁齊心協(xié)力縮短這段時(shí)間。

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Application of nano-diamonds——diamond synthesis by dynamic pressure technique,part V

ZHANG Shu-da
(Tianjin Chanyu Superhard Sci-Tech Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)

Nano-diamond is a wonderful flower among nano materials.It possesses both of the advantage of nano material and the unique property of diamond.The application of nano diamond in defferent fields such as precision polishing,high-performance lubrication,electroplating,composite materials,paints,coatings,environmental protection,even cancer therapy,etc has been introduced in this article.It is indicated that greaterthan-expected surprising effect has been acheived in many fields after application of it.

nano-diamond;application,polishing;lubrication;paint;coatings;composites materials;cancer therapy;environmental protection

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0042-05

2015-06-17

張書達(dá)(1941-),男,漢族,天津市人,國務(wù)院特貼專家,教授級高工。主要從事納米金剛石及金剛石微粉、單晶、聚晶的研究、生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化工作,是納米金剛石行標(biāo)的第一起草人。E-mail:cnchanyu@163.com。

張書達(dá).納米金剛石的應(yīng)用[J].超硬材料工程,2015,27(6):42-46.