發(fā)展的中國(guó)超硬材料工業(yè)
2012年03月19日 10:42 9104次瀏覽 來(lái)源: 中國(guó)有色網(wǎng) 分類: 鎢
5、CVD金剛石膜—21世紀(jì)的材料
早在20世紀(jì)50年代和60年代末,蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)的科學(xué)家已先后在低壓下實(shí)現(xiàn)了多晶薄膜的化學(xué)氣相沉積(CVD)。雖然當(dāng)時(shí)其沉積速度非常之低,但無(wú)疑是奠基性之舉。由于80年代初期金剛石薄膜的低壓氣相生成取得了突破性進(jìn)展,全世界掀起了一股金剛石薄膜研究的高潮。國(guó)家科委高技術(shù)計(jì)劃新材料領(lǐng)域及時(shí)安排了金剛石薄膜的制備與應(yīng)用研究這個(gè)跟蹤項(xiàng)目。
研究證實(shí)高質(zhì)量的CVD金剛石多晶薄膜硬度、導(dǎo)熱、密度、彈性(以楊氏模量表征)和透光性物理性質(zhì)已達(dá)到或天然金剛石。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái),成功地發(fā)展了多種CVD金剛石多晶薄膜的制備方法,薄膜的生長(zhǎng)速率、沉積面積和結(jié)構(gòu)性質(zhì)已逐步達(dá)到應(yīng)用的程度。
在CVD金剛石薄膜的應(yīng)用基礎(chǔ)研究中,有很多課題可以根據(jù)應(yīng)用方向的需要加以選擇,研究條件中最重要的是測(cè)試、分析的診斷手段,國(guó)內(nèi)已基本具備,因而是能夠有所作為的。
侯立指出,金剛石膜近期和未來(lái)的重要應(yīng)用是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)—機(jī)械加工工業(yè)。金剛石膜產(chǎn)品已在汽車行業(yè)、航天行業(yè)、拉絲制網(wǎng)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,部分產(chǎn)品已經(jīng)小批量銷往國(guó)外市場(chǎng);而且要不斷開(kāi)發(fā)CVD金剛石新的生長(zhǎng)技術(shù),開(kāi)拓CVD金剛石膜在更高層次的聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)的應(yīng)用。
匡同春等指出,隨著現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)加工中心、流動(dòng)機(jī)加工車間(FMS),計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的問(wèn)世,以及機(jī)械加工正朝著精密、高速、高生產(chǎn)率切削的方向發(fā)展,對(duì)刀具性能提出了相當(dāng)高的要求,開(kāi)發(fā)各種耐磨性優(yōu)良、能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定加工的超硬切削刀具是必然趨勢(shì)。
為此,國(guó)內(nèi)的一些高等院校、科研院所和工具生產(chǎn)廠家,如吉林大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、湖南大學(xué)、沈陽(yáng)金屬研究所、人工晶體研究所、廣州有色金屬研究所、株洲硬質(zhì)合金廠等也正加緊相關(guān)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究,實(shí)現(xiàn)CVD金剛石刀具產(chǎn)業(yè)化已為時(shí)不遠(yuǎn)。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)加工CVD金剛石膜的技術(shù)也得到了迅速發(fā)展,最基本的金剛石膜的切割、研磨、拋光以及金剛石膜與其它刀體材料的粘結(jié)(釬焊)技術(shù)。目前,傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法在金剛石膜的加工中,仍占有一定的地位,但其加工質(zhì)量和成本,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)CVD金剛石膜實(shí)用化的進(jìn)程。不久的將來(lái),各種先進(jìn)的熱化學(xué)方法、激光技術(shù)、光學(xué)加工方法、分子剝離技術(shù)、離子轟擊技術(shù)和涂層技術(shù)將成為CVD金剛石膜熱學(xué)、電子學(xué)、聲學(xué)和半導(dǎo)體應(yīng)用及其產(chǎn)品制備的只要加工手段。
據(jù)國(guó)際資源開(kāi)發(fā)(IRD)公司統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明:CVD金剛石膜產(chǎn)品將以幾乎兩年增長(zhǎng)一倍的極快速度走向市場(chǎng),全世界金剛石膜的銷售額,1990年約為2億美元,1995年約為20億美元,2000年預(yù)計(jì)可達(dá)到40億美元。有關(guān)專家預(yù)計(jì),2010—2020年金剛石膜直接市場(chǎng)將超過(guò)100億美元,相當(dāng)于目前合成人造金剛石產(chǎn)品市場(chǎng)的2倍。因此,金剛石膜被譽(yù)為二十一世紀(jì)的材料。
盡管由于金剛石膜的某些加工的制備關(guān)鍵技術(shù),還沒(méi)有完全解決,導(dǎo)致實(shí)際市場(chǎng)的規(guī)模低于預(yù)測(cè)的結(jié)果,但人們十分清楚,某些問(wèn)題的解決將會(huì)使金剛石膜市場(chǎng)成倍,甚至成數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。
可以預(yù)期,通過(guò)在金剛石膜科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中從事應(yīng)用基礎(chǔ)研究的我國(guó)科學(xué)工作者的共同努力,將會(huì)有更多的研究成果達(dá)到國(guó)際前沿的研究水平,從而推動(dòng)我國(guó)CVD金剛石膜這一重要的新型功能材料領(lǐng)域中的技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)形成作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
6、21世紀(jì)的“工業(yè)維他命”—納米結(jié)構(gòu)金剛石
納米結(jié)構(gòu)金剛石是一種兼具有金剛石和納米顆粒雙重特性的新型材料。這種金剛石自然界不蘊(yùn)藏,靜壓法也制造不出來(lái),由于其生長(zhǎng)條件苛刻,所以其合成技術(shù)直到1987年才由俄羅斯在實(shí)驗(yàn)室率先研制成功,90年代初才投入批量生產(chǎn)。1993年中科院蘭州化學(xué)物理研究所,在國(guó)內(nèi)首先用炸藥爆轟法合成得到了平均粒徑為1—10nm的納米結(jié)構(gòu)金剛石。據(jù)了解目前從事這一研究的單位還有:中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院、北京理工大學(xué)、東南大學(xué)材料系、西南流體物理研究所、西北核技研究所、北京溥澤科技開(kāi)發(fā)中心等??梢?jiàn),一支高素質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)金剛石研究開(kāi)發(fā)技術(shù)隊(duì)伍已基本形成,并在爆轟技術(shù)、機(jī)理研究、提純處理、物理測(cè)試等方面取得可喜進(jìn)展。
炸藥爆炸合成金剛石的方法與傳統(tǒng)的石墨相變法(包括靜壓法和動(dòng)壓法)和化學(xué)氣相沉積(CVD)法不同,它是以負(fù)氧平衡炸藥TNT和黑索金RDX經(jīng)一定比例混配作原料(其中TNT為碳源,RDX為高壓源),置入密閉爆炸罐中,內(nèi)充惰性氣體(如CO和N),通過(guò)引爆和一定的爆溫(3000—5000K)爆壓(20—30Gpa)控制,有機(jī)炸藥分子解離成碳原子或是原子團(tuán),在短瞬間(若干微秒)冷卻,收集爆炸固相(爆轟灰);除去雷管導(dǎo)索等雜質(zhì),用強(qiáng)酸除去無(wú)定形碳及金屬雜質(zhì),再用蒸餾水沖洗至中性,即可得到納米結(jié)構(gòu)金剛石。
為了解納米結(jié)構(gòu)金剛石特性,人們利用X射線衍射、透射電鏡、激光拉曼光譜、紅外吸收光譜、差熱和熱失重等對(duì)納米結(jié)構(gòu)金剛石的特性進(jìn)行了表征,分析了不同合成條件對(duì)納米結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。
納米結(jié)構(gòu)金剛石的應(yīng)用在美、日、俄、烏等國(guó)家已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。我國(guó)開(kāi)展納米結(jié)構(gòu)金剛石應(yīng)用研究雖然起步較晚,但經(jīng)過(guò)努力也已取得成果,例如,第二炮兵工程學(xué)院與西安交大合作,研究開(kāi)發(fā)了一種高效專用內(nèi)燃機(jī)磨合油,顯著縮短磨合時(shí)間,提高磨合品質(zhì),改善發(fā)動(dòng)機(jī)配合副表面耐磨性能;與第四軍醫(yī)大學(xué)合作,把納米結(jié)構(gòu)金剛石作為生物抗體的載體,因它具有很好的表面惰性,不含重金屬雜質(zhì),不會(huì)使生物抗體發(fā)生結(jié)構(gòu)和性能上的變化,不會(huì)影響其功能的發(fā)揮,有可能在醫(yī)療上得到廣泛的應(yīng)用;中科院蘭州化學(xué)物理研究所、西安核技術(shù)研究所在復(fù)合鍍層、橡膠和樹(shù)脂增強(qiáng)方面作了有益嘗試,哈爾濱工業(yè)大學(xué)用含有納米結(jié)構(gòu)金剛石的研磨液對(duì)陶瓷滾珠進(jìn)行磁流體研磨,得到了粗糙度只有0.013μm的表面等等。以上應(yīng)用只是個(gè)初步的,但是個(gè)良好的開(kāi)端。納米結(jié)構(gòu)金剛石能否產(chǎn)業(yè)化,主要取決于應(yīng)用。因此,加大納米結(jié)構(gòu)金剛石應(yīng)用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)力度則是關(guān)鍵,而實(shí)行科研、生產(chǎn)、應(yīng)用的“三結(jié)合”對(duì)加速應(yīng)用步伐又是十分重要的。
綜上所述
1. 需求拉動(dòng)了超硬材料的發(fā)展,而超硬材料的發(fā)展又推動(dòng)著機(jī)械加工技術(shù)、地質(zhì)和石油鉆探技術(shù),以及石材加工技術(shù)等的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。
2. 隨著超硬材料合成技術(shù)的不斷發(fā)展,物性研究的不斷深入,將為其應(yīng)用領(lǐng)域的繼續(xù)擴(kuò)大提供了可能。因此,我們應(yīng)該積極能動(dòng)的去搜索,去發(fā)現(xiàn),去開(kāi)拓它的應(yīng)用,以求擴(kuò)大其新的需求。
3. 超硬材料未來(lái)的發(fā)展,仍離不開(kāi)應(yīng)用的需求,由于超硬材料所具有的一系列優(yōu)異技術(shù)特性,隨著現(xiàn)代化工程技術(shù)的高速發(fā)展,可以肯定它的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬的。
責(zé)任編輯:安子
如需了解更多信息,請(qǐng)登錄中國(guó)有色網(wǎng):www.caoyihen.com了解更多信息。
中國(guó)有色網(wǎng)聲明:本網(wǎng)所有內(nèi)容的版權(quán)均屬于作者或頁(yè)面內(nèi)聲明的版權(quán)人。
凡注明文章來(lái)源為“中國(guó)有色金屬報(bào)”或 “中國(guó)有色網(wǎng)”的文章,均為中國(guó)有色網(wǎng)原創(chuàng)或者是合作機(jī)構(gòu)授權(quán)同意發(fā)布的文章。
如需轉(zhuǎn)載,轉(zhuǎn)載方必須與中國(guó)有色網(wǎng)( 郵件:cnmn@cnmn.com.cn 或 電話:010-63971479)聯(lián)系,簽署授權(quán)協(xié)議,取得轉(zhuǎn)載授權(quán);
凡本網(wǎng)注明“來(lái)源:“XXX(非中國(guó)有色網(wǎng)或非中國(guó)有色金屬報(bào))”的文章,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不構(gòu)成投資建議,僅供讀者參考。
若據(jù)本文章操作,所有后果讀者自負(fù),中國(guó)有色網(wǎng)概不負(fù)任何責(zé)任。