郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 / 文

纳米技术与纳米材料是 21 世纪人们争夺的一个非常重要的技术领地。谁先在这块“肥沃”的领地上占有一席之地，谁就是赢家。这里我想要告诉大家的是纳米金刚石是纳米材料家族中的佼佼者。为什么说纳米金刚石是纳米材料家族中的佼佼者呢 ? 简言之，是由其众多优秀的特性所决定的。

20 世纪 80 年代诞生了一种高新科技产品——纳米材料，它那神奇的特性和极其广泛的应用前景非常诱人。

纳米技术使人类对大自然的认识进入了一个新的层次，从此，一批新学科将诞生，更多新材料将被创造，许多新概念和新理论将相继建立，物质产品的生产方式将迅速改变，社会生活将产生巨大变革。国际科技权威预测，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。因此，现在每个大国都在强调纳米技术将决定国家在 21 世纪的命运。

随着微米时代的结束，纳米时代开始将黎明第一束曙光投向世界，未来世界文明的中心将会出现在什么地方呢？有一点可以肯定的是，在纳米时代，谁掌握了最先进的纳米技术，谁能够最先从纳米技术中获益，谁就有可能成为新一代的世界文明中心。

纳米时代的到来，最先为人们所感受到的一定是在纳米科技基础上建立起来的纳米经济。纳米经济的形成过程，首先是纳米产品从纳米科技的基础研究中脱颖而出，纳米金刚石的出现就是其中一例，这种产品的逐渐成熟及影响的逐步扩展，使得纳米产业在整个国民经济中的地位日益凸现，比重逐渐提高。历史的经验告诉我们，曾经重视微米科技的国家，今天都已成为发达国家，而纳米科技则为人们提供了新的机遇。今天重视纳米材料的国家将在未来高科技竞争中取得领先的地位。

需要指出的是，现代科技往往会在交叉点上有所创新，正因为纳米科技是多学科交叉融合，所以才充满了原始的创新机会，科学家也愿意在这个领域耕耘，获得原始创新的成果。在纳米尺度上多学科的交叉融合，是纳米科技巨大的生命力，迅速形成了具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。

纳米材料是纳米科技的基础，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，加之其特有的四大效应：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。

纳米金刚石是纳米材料家族中的一个重要成员，它不仅保留着金刚石的综合优异特性，而且还有对人体无害的良好的生物兼容性；对雷达波、红外紫外光有巨大的透射率和吸收率，优异的冷阴极场发射效应，表面有许多羧基、烃基、羰基等功能团，很容易同金属、橡胶、塑料聚合物、织物表面紧密结合等等，从而为纳米金刚石的应用提供技术基础和发展空间，本文引用以下具体事例来阐明。

01

纳米金刚石与金属的电化学和化学镀

实验研究表明，在电镀的工艺技术中应用纳米金刚石具有以下一些优越性：

1.1 提高产品的质量和结构特性

• 优越的耐磨性和高的显微硬度；

• 高的附着性和低的摩擦系数；

• 高的阳极氧化铝膜的电绝缘性能；

• 高的抗蚀性；

• 电解液的扩散能力急剧增长；

• 高的弹性。

1.2 制品的使用寿命提高 1-9 倍。

1.3 可节约材料、能量和劳动消耗。

1.4 电镀作业线的生产率提高 20%-50%，与镀层原度的减少和膜形成的速度提高有关。

1.5 点解过程的经济特性得以改善。

02

纳米金刚石用于润滑油、固体润滑剂和润滑冷却液

纳米金刚石添加剂润滑油中具有以下优越性：

2.1 提高产品的质量和竞争能力；提高运输工具盒

装置的工作寿命；节约燃滑油材料。

2.2 摩擦动量降低 20%-40%。

2.3 摩擦面磨损减少 30%-40%。

2.4 摩擦副的快速磨合。

纳米金刚石的单位消耗－ 1000kg 润滑油中为 0.1-0.2kg。

03

纳米金刚石用作研磨和抛光

美国、英国等国家已制备成纳米抛光液，并有商品出售。常规的抛光液是将不同粒径的颗粒放入基液制成抛光剂，广泛用于金相抛光、高级照像镜头抛光、高级晶体抛光以及岩石抛光等。最细的颗粒尺寸一般在微米到亚微米级。随着高技术的飞快发展，要求晶体的表面有更高的光洁度。这就要求抛光剂中的颗粒越来越细，分布越来越窄，纳米微粒为实现这个目标提供了基础。目前已制成的用纳米金刚石配置的超精抛光液、抛光膏，可用于红、蓝宝石、首饰、高级光学镜头和激光镜头的精抛光，表面粗糙度可达 Rmax ＜＜ 1nm。

含有纳米金刚石的抛光系统具有以下一些优越性：

3.1 超细尺寸的纳米金刚石能确保表面粗糙度的最小值和抛光系统胶体的稳定性。

3.2 纳米金刚石的化学稳定性，在化学上可以用于抛光系统的活性添加剂和抛光系统的还原。

3.3 降低抛光表面材料的分量，减少材料的损耗。

3.4 由于纳米金刚石的离子交换和吸附活性，可减少纳米金刚石表面的离子和分子产物的活动性，即确保表面的纯净。

3.5 纳米金刚石团聚体的团聚结构有利于悬浮的抛光系统中聚结调节作用。

3.6 这个系统没有毒。

3.7 含有纳米金刚石的抛光系统，可以提高抛光产品质量和竞争能力以确保难加工材料抛光的加工性。加工 1m2 的表面，纳米金刚石的单位消耗为 0.001-0.01kg。

04

纳米金刚石用于磁性录音系统

首先，纳米金刚石在磁带和磁盘的铁磁镀膜中应用作为减磨的添加剂和物理的变性剂。其次，将其添加到电化学的复合膜中，可改善磁性录音的稳定性。

磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。作为磁记录单位的磁性粒子的大小必须满足以下要求：

（a）颗粒的长度应远小于记录波长；

（b）粒子的宽度应该远小于记录深度；

（c）一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。

4.1 纳米金刚石添加到铁磁层明显地减少磁畴（铁磁体的颗粒），即录音密度明显地增大。

纳米金刚石引入到磁头洁净的专用膜中，其耐磨性明显地增大。

含有纳米金刚石的软磁信息载体具体有以下优越性：磁载体层磨损下降，能确保磁头和读数的最佳工作条件，磁载体摩擦减少，及其运转稳定性的提高。纳米金刚石的单位消耗为漆膜重量的 1%-2%。

4.2 与纯 CoP 镀膜比较 CoP- 纳米金刚石软磁的非晶膜显示，显微硬度增大 30%；耐磨性提高 3.5 倍；摩擦系数减少 28.6%；磁头铁芯的使用寿命增加 1 倍。

与纯电化学或化学镀 CoP 镀层比较，CoP- 纳米金刚石的硬磁多晶体的显微硬度提高 20%，腐蚀电流减少 37.5%，磁性录音载体的使用寿命增大，添加纳米金刚石，无论是软磁的非晶质的，还是硬磁镀层的磁性都没有变化。

当层厚 1.1-6m 时，纳米金刚石的单位消耗为 1m2约为 1 克拉。

05

用于隐身材料

近年来，随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进，例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机；利用红外探测器也可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中的实力，也将隐身技术作为一个重要的研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要地位。用少量纳米金刚石悬浮在涂料中，将其喷涂在飞机、坦克、导弹、军舰上，可以起到隐形防腐的作用。

为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外和雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波长的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很弱，从而达到隐身作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大了 3-4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真正发挥作用的隐身材料大多使用在航天航空与军事有密切关系的部件上。对于上天的材料有一个要求是重量轻，在这方面纳米材料是有优势的，特别是由轻元素组成的纳米材料在航空隐身方面应用十分广泛。

06

纳米金刚石用于医疗

纳米微粒的尺寸一般比生物体内的红细胞、红血球小的多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部治疗等，关于这方面的研究现在处于初级阶段，但却有广阔的应用前景。

纳米金刚石异常高的吸附能力，大的比表面积，表面上的大量自由电子（数目多的原子供体），纳米晶体表面上大量的含氧官能团，颗粒的化学惰性，表面的亲水特性，对其可能用于治疗的药剂是重要的。

纳米金刚石可应用肿瘤学、肠胃学、心脏学、血管疾病的诊治，皮肤病等等，它们没有致癌的或诱变的性质，没有毒。

纳米金刚石对致病的病毒，微生物和细菌来说显示非常高的活性。由于高的吸附能力和其他的独特性，它们将被强烈的吸附，它们是起活性的吸附剂，在生物学上降低活性物质的迁移率，是急剧强化药用试剂的手段。纳米金刚石的应用可诱致血压的正常化。此外，当肠胃系统患病、不同皮肤病、内脏中毒，采用纳米金刚石是有效的，而且是防止烧伤的最好手段。

纳米金刚石应用于水性的和油性的悬浮液有利于对肿瘤药用试剂的强化，以及减少和消除痛苦的作用，肠道蠕动的正常化，改善血液指标，提高生命和免疫系统的活性，使病毒从有机体内排出等。

纳米金刚石的应用与化学和射线疗法结合起来显示出很好的前景。恶性赘瘤治疗时用于防止有疗效的药剂的诱变性，而且纳米金刚石不会降低其疗效。以及可以预防正常的细胞和在防止癌药剂作用下继发性肿瘤的诱导作用突变的发生。

一个疗程约需 0.2-0.5 克的纳米金刚石。

07

催化方面的应用

纳米微粒由于尺寸小，表面所占有的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。有人预计超微粒子催化剂在 21 世纪很可能成为催化反应的主要角色。利用纳米金刚石的极大比表面、高表面能、高孔隙度等特点，可制造小体积、低造价的催化装置代替原有庞大昂贵的装备，可用作环保、太阳能电池盒贮氢装置。

08

将纳米金刚石添加在橡胶、聚合物中，可大大改善 其 性 能。

提 高 轮 胎 抗 爆 裂 度（ 从 53Mpa 提 高 到154Mpa）；提高橡胶制品弹性 2 倍，提高耐磨性 2-5 倍；将其添加到氟橡胶中制造发动机用橡胶器件，加到腈基橡胶中制造密封圈可大大提高低温下的弹性；加到环氧树脂为基础的聚合物中，可提高连接强度 2-2.5 倍。

09

将纳米金刚石添加到炸药中，可大大提高炸药的爆炸威力。

10

将纳米金刚石添加到燃料油中，可大大提高燃油的分散度和燃烧值，达到节能的目的等等。

从上面举例纳米金刚石在各方面的应用，充分显示出纳米金刚石在 21 世纪材料科学中的举足轻重的地位。神通广大的纳米金刚石其诱人的应用前景促使人对这一崭新的材料科学领域和全新的研究对象努力探索，扩大其应用，使它为人类带来更多的利益。

相信，在新世纪，纳米金刚石材料将成为材料科学领域的一个大放异彩的“明星”。展露在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用，丰富人类的知识宝库，给人类带来福音。