纳米金刚石 工业科技的“刚”化之路

    2019-11-27 09:17:37 次阅读

    提起金刚石,相信大多数人的脑海里便闪烁光芒,blingbling,闪闪发光。金刚石除了具有璀璨外表,它还具有最坚硬的特性。当今,金刚石以其优异的力学性能已在高端制造业如精密工具、耐磨零件、切削工具、光学元件涂层、电子产品配件加工、航空航天等工业领域有了广泛应用,成为工业领域不可或缺的材料之一。

    金刚石作为一种神秘而高贵的物质,有着孙悟空的72变。从材料质量上,金刚石可以从碎钻到宝石级纯净晶透的华丽变身;从材料形态上,金刚石可以从微粉成长到大晶体;换句话说,金刚石正朝着微观和宏观双向发展。那么,当金刚石形态缩小到纳米级,又将会发生什么样的质变?

    纳米金刚石

    “纳米”是当前材料学非常火热的一个词。什么是纳米?纳米,nanometer,即为毫微米,是长度的度量单位,国际单位制符号为nm。任何材料尺寸小到纳米级别,其性质发生将发生飞跃。由于其优良的性能,纳米材料及相关技术已越来越多地应用到电子、光学、催化、陶瓷、磁记录材料、纳米复合材料、药物与生物技术等领域。

    作为纳米新材料的代表,纳米金刚石,具有金刚石和纳米材料的双重特性,不仅具备金刚石的超高硬度、良好的化学稳定性和耐磨性等特性,还具备纳米材料所通有的小尺寸效应、宏观量子隧道效应等多种特性,其热、磁、光、电特性也不同于正常粒子,从而使其在机械加工、光学、生物学、医学等领域有着广泛的应用,已经成为当今世界的研究热点之一。

    纳米金刚石的制备

    碳相图是合成纳米金刚石的最重要的依据。如下图所示,在高温高压条件下,石墨转化为金刚石,需要遵守其生长与成核规律。

    碳相图

    目前合成纳米金刚石的方法主要有:高温高压法、溶剂热法气相沉积法、含能粒子辐照法及爆轰法等。

    其中,爆轰法是最常用的方法,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。

    爆轰法过程示意图

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    (图片来源:大赛璐株式会社)

    金属基复合材料

    金属基复合材料是以第二相为增强材料,金属或合金为基体材料制备而成的复合材料。

    特点:高比强度、高比模量、导电、导热性能、热膨胀系数小、尺寸稳定好、良好地高温性能、耐磨性好、疲劳性能和断裂韧度好、性能再现性及可加工性好、不吸潮、不老化、气密性好。

    增强体

    目前,用于增强基复合材料的增强体形式主要有:颗粒体、纤维或者晶须、纳米颗粒与纳米管等;材料主要有金刚石、SiC、Al2O3、TiC、TiB2、BN、AlN、Si3N4、NbN、SiO2、VC、B4C、WC、ZrC、ZrB2、ZrO2、MgO、Mo2C、MoS2……

    特性:

    (1)能明显提高金属基某种所需特性的性能,如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等。

    (2)良好地化学稳定性,在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显地变化和退化,与金属基体有良好的化学相容性,不发生严重的界面反应。

    (3)与金属有良好地润湿性,通过表面处理能与金属基体良好润湿、复合和分布均匀。

    纳米金刚石颗粒如何增强钢铁基复合材料

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    钢铁又称铁碳合金,是工程技术中最重要、用量最大、应用最广泛的金属材料之一,存在于我们生活中的各个方面,使我们的生活更具有“科技含量”,对材料专家们来说,对钢铁性能提升的研究是一项近乎“无底洞”的事业。

    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;如果这一科研成果能够工业化生产,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,其巨大的技术经济和社会效益当下还难以估量。

    惠州碳之光材料科技有限公司,就是这么一家专注于提升钢铁材料性能的新材料企业,致力于从“纳米”“复合”的组合优势研发世界上尚未出现的高性能钢铁材料。这项颠覆世界的重大原创性发明使中国钢铁基纳米复合材料及其工业化生产技术领跑全世界。

    在经典金属物理学中阐述的能够以固态热扩散渗入钢铁基体内的物质,通常只能是原子或离子尺度的物质不同。惠州碳之光以贾春德、杨树桐、段占强为核心发明人的科研团队首次颠覆性地发现:在特定条件下纳米金刚石粒子可以高强度向钢铁基体内固态热扩散。此发现,不仅仅是对扩散介质尺度和形态的扩展,也将引发并推动对传统金属物理扩散理论的深入思考和研究。在不断的深入探索和研究中,贾春德教授团队完成了两项重大原创性发明。

    第一,发明了用纳米晶粒热扩散制备具有超高机械物理性能的纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料。这一新技术和生产方式制备生产的新材大幅度提高了现有钢铁材料的性能,同时也改变着世界钢铁材料研发生产应用的格局。

    第二,发明了低成本、高质量、大批量、工业化生产此种钢铁基纳米复合材料的成套技术工艺。该团队发明的热扩散法和正在研究中的冶金法工业化大批量生产金刚石超级纳米钢的成套工艺,世界尚未有过,是复合材料制备生产技术革命性的探索和变革,部分解决了纳米复合材料工业化生产的历史难题,是突破前沿高科技材料产业化瓶颈技术重要尝试。此成套工艺技术大大降低了高科技材料的生产成本,为该项技术和产品的推广应用奠定了基础,也使中国高性能纳米钢铁复合材料跃居于世界之巅成为可预期的目标。

    向钢铁机体内渗纳米金刚石既可用于钢铁材料,同时也可用于钢铁机械零件表层、深表层金刚石纳米重构改性,来大幅度提升其机械物理性能,这也是世界从未有过的重大发明创造之一。

    (1)纳米金刚石扩散进入钢铁 基体内微观形貌(2)TEM下的纳米金刚石形貌(3)金刚石的EDP花样,证实扩散进入钢铁基体的是金刚石晶体而非碳和碳化物(4)扩散层SEM微观组织形貌:纳米金刚石颗粒增强、连续梯度的超细晶粒组织

    从宏观角度看,这将使全球200多种钢铁材料中的大部分得到较大幅度的性能提升,并由此创造出具有超高机械物理性能、具有纳米复合结构的新钢族。同时,应用金刚石超级纳米钢和机械零件金刚石纳米重构技术,将有助于推动中国机械制造业整体技术水平的提升,尤其是推动高端装备性能的提高。

    基于此,DT新材料携手中国超硬材料网特邀惠州碳之光材料科技有限公司首席科学家贾春德教授于11月26-29日,第四届国际碳材料大会金刚石论坛,与您面对面交流,深入探讨《纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料》,带你领略中国机械制造业如何领先世界。

    公司介绍:惠州碳之光材料科技有限公司

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    金属纳米复合材料研究院是中国高校(华南)科技成果转化中心与原沈阳理工大学校长、国家优秀留学归国人员、机械工程与材料科学专家贾春德教授(惠州碳之光材料科技有限公司)共建的现代材料科学研究机构。

    历经十余载的努力奋斗,首次发现了金刚石纳米粒子能以较高的强度向钢铁材料内热扩散,此发现将金属物理学中的热扩散理论从扩散物质为原子或离子的微观阶段推进到纳米粒子的介观阶段。此项重大发现直接导致了另一项重大原创性技术发明的诞生,即发明了具有超高机械物理性能的纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料(金刚石超级纳米钢)及其工业化批量生产的整套工艺技术。

    该原创性技术发明用于钢铁行业,将在世界现有的250多种钢铁材料的基础上,创立由200种以上新型超级金刚石纳米钢组成的新钢族,推动着中国钢铁产业产品性能、品种落后于发达国家局面的改变;该发明用于机械行业,将全面大幅度提升中国高端重大机械装备和关键机械基础部件的性能,为中国机械工业、国防装备制造业提供高性能钢铁复合材料和先进的工艺技术;该发明用于表面工程,可取代耐磨镀铬、等离子喷涂、高能束表面熔融和堆焊等工艺技术。该发明的经济效益和社会效益之巨大当下还难以估量。

    研究院实施以技术服务、技术入股、技术转让、技术推广为内涵的“技术经营”策略,与企业结成推广金刚石超级纳米钢的技术、产业联盟。通过产学研相结合, 继续深入展开钢铁基纳米复合材料的热扩散和熔炼工艺、先进机械装备、先进机械基础部件的研发和中试,最终将建成中国金刚石超级纳米产业化示范基地。由研究院与钢铁企业、机械制造企业共同创立的国家级示范基地将建成年产值超1000亿元的金刚石超级纳米钢高技术产业集群。

    贾春德教授简介

    中国高校(华南)科技成果转化中心技术纳米复合材料研究院首席科学家、院长,惠州碳之光材料科技有限公司董事长、工学博士、教授;国家优秀留学归国人员(加拿大The University of western Ontario 、德国Technische Universitat Darmstadt);原沈阳理工大学校长、兵器工业部科技委委员、兵器工业摩擦与润滑技术中心主任、辽宁省高速切削工程技术中心主任、辽宁兵工学会理事长。

    机械工程领域:从事高速切削和CNC车铣技术和装备研究,承担、完成过国家计委、国家科委、总装、兵器工业部下达的涉及兵器、航天、航海武器装备研发制造领域内的重大攻关项目;专著“车铣原理”奠定了车铣运动学的基础理论。材料科学与工程领域:从事磨损动态直接观测研究,所发现的磨粒生成长大四阶段被(国际材料学会学术委员会主任K.L

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