炸药爆轰纳米金刚石的制备和技术应用

       1.引言

 
      文章综述了利用负氧平衡含碳炸药制备纳米金刚石粉的研究和开发工作进展情况。此方法是80年代未发展起来的人工合成金刚石的新方法，其产物(纳米金刚石)是合成金刚石的一个新品种，用这种方法制备的纳米金刚石粉主要性质如下：

 
      (1)X-射线衍射(XRD)谱上只有立方晶系金刚石的三个特性谱线，没有出现其他杂质谱线；因此，金刚石相的纯度在95%以上。
 
      (2)透射电子显微镜照片(图1)表明，其基本颗粒为直径5nm～15nm的微球，聚集成微米尺寸的聚集体。

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

 
      (4)红外光谱图表明这种金刚石表面有多种含氧功能团，所占面积可达颗粒表面的10%~20%，因此，这种产物属于类金刚石。

组成见表1

表1.类金刚石元素组成

 

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

     (1)炸药用量Q（单位kg）与爆炸容器体积V（单位m3）的关系以Q＝0.5V为宜。

 
      (2)冷却介质对在爆轰区内生成的含金刚石固体爆轰产物起着“淬火”作用。较好的冷却介质有气体二氧化碳和液态水两种，其结果见表2、表3。

       2.制备方法及其影响因素

 
      这种纳米金刚石粉的制备方法较简单，主要工艺流程：将TNT／RDX混合炸药放在充有惰性介质(例如水或CO2）的密闭爆炸容器中进行爆炸，即可收集到黑色的固体爆轰产物(黑粉)，经过纯化，除去其中的杂质和非金刚石碳，即可得到浅灰色的纳米金刚石粉。

       影响金刚石收率和性质的主要因素有：

       (1)炸药的组成、装药形状、质量和结构的影响结果表明，用TNT／RDX　40～60／60～40混合炸药得到的纳米金刚石收率最高(以炸药用量为基础)；而随着炸药中RDX含量的增加，纳米金刚石的颗粒尺寸增大。装药形状选择圆柱形和药量大于0．5kg的结果较好。

表2冷却介质CO2和水对金刚石性质的影响[8]

金刚石性质
 冷却
 介质
 
CO2
 水
 
平均相干尺寸/nm
 5～6
 1.2～2.0
 
结晶平均尺寸/nm
 5～6
 2.0～3.5
 
比表面积/m2.g-1
 200～280
 360～420
 
颗粒形状
 球状
 薄膜状*
 
金刚石粉密度/g.cm-3
 3.20～3.30
 3.05～3.10
 
堆积密度/g.cm-3
 0.35～0.40
 0.30～0.32
 
氧含量×100
 5～10
 2～10
 
不燃残余物×100
 5～7
 0.1～0.3
 
对苯蒸汽的相对吸附
 1.0
 1.5～2.0
 
活性/mmol.g-1
 

注:用高分辨电镜进行研究的结果表明这种金刚石也是球形的

表3冷却介质CO2和水对黑粉性质的影响
 

黑粉的性质
 冷却
 介质
 
 
 CO2
 水
 
比表面积/m2.g－1
 200～280
 360～420
 
黑粉中的最大金刚石含量×100
 54
 75～85
 
达到最大金刚石含量的装药量／kg
 0．5
 不限
 
黑粉的相组成
 －
 －
 
超细金刚石×100
 15～54
 60～85
 
涡轮叶片状碳×100
 15～30
 5～34
 
无定形碳×100
 －
 1～5
 
二价碳×100
 －
 1～5
 
超细石墨×100
 40～60
 5～15
 
对苯蒸汽的吸附活性
／mmol.g－1
 4.3～5.1
 8.1～9.2
 
对白蛋白的吸附活性
／mmol.g－1
 45～53
 85～110
 

      (4)金刚石的纯化方法一般是先用盐酸除去其中的金属(主要是铁)杂质；然后用氧化法除去各种非金刚石碳。所用的方法可分为气相氧化法和液相氧化法。用气相氧化法制成的金刚石粉具有较高的抗氧化稳定性；液相氧化法的操作比较简单，适宜大规模生产，因而目前仍然被广泛应用。
 

3.应用与展望

 
      纳米金刚石具有颗粒极小而且比表面积很大的独特性质，具有特殊的机械、光电、热、磁性能，可望在机械、电子、化工、医疗等领域中得到广泛应用。
 

3．1 作为润滑油添加物

 
       添加了该金刚石的润滑油，其润滑性能和减磨性能都有明显提高，在发动机上进行应用试验，取得了良好的结果。我们也进行一些研究，在石腊油中添加0．5％含金刚石黑粉后，磨损量大大降低。尤其当载荷较大时效果更显著。例如，在同样条件下进行摩擦，当载荷为100N，基础石蜡油的磨损量为1.2×10－3mm3，添加金刚石粉后磨损量下降为0.15×10－3mm3左右；而当载荷增大到200N，磨损量分别由2.4×10－3mm3，下降为0.3×10－3mm3可见效果更加明显。
 

3．2　作为复合镀层添加物

 
       复合电镀是一种提高镀层硬度和耐磨性能的方法。用电镀或电刷镀法制成的含金刚石粉的复合镀镍层，与不含金刚石粉的镀镍层相比，其硬度增加50%，耐磨性能增加更显著。例如，用电刷镀法制成的不含金刚石粉镀镍层的磨损量为18.3mm3.nm－1，而添加金刚石粉后可降低到10.0mm3.nm－1。有人使用类似方法制成磁盘或磁头的耐磨保护层，也取得了良好的效果。
 

3．3　作为精细研磨材料

 
       用这种金刚石粉制成的研磨液或研磨块，可以磨出光洁度极高的表面。例如：可制成表面光洁度要求极高的X-射线反射镜；用含有这种金刚石粉的研磨液对陶瓷滚珠进行磁流体研磨，可得到表面粗糙度只有0．013μm的表面。
 

3．4　其它应用

 
      将这种金刚石粉用于制造电子成象的感光材料，能明显改进复印机的性能；用该金刚石粉做生物抗源载体，制造某些抗体药物，取得了良好结果；将这种金刚石粉涂沫在用于化学气相沉积金刚石膜的单晶硅基片上，在硅片上就可以形成金刚石微晶层，在进行化学气相沉积时，可大大加速金刚石膜的生长速度和提高膜的成核密度。实验证明，在同样的CVD条件下，硅片上金刚石膜的成核密度可提高两个数量级。
 

此外，用金刚石作为电子场发射材料具有许多特点，有可能在平面显像装置中得到应用。有人用这种纳米金刚石粉进行了尝试。我们也进行了这方面的研究。初步结果表明，用纳米金刚石粉涂敷在硅片上制成的薄膜，其场电子发射性能优异，最低起始电压只有3．2V.μm－1，最大发射电流可达20mA.cm－2，均明显优于CVD金刚石膜。而且还有一个优点是，经过1h连续发射后，用显微镜观察金刚石膜，没有任何损伤。这方面的研究我们正在继续进行中。