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       1963年，蘇聯科學家發現納米金剛石，也就是超微金剛石（UltraDispered Diamond，簡稱UDD）可以從碳基炸藥所產生的核爆炸中誕生。自此之后，人們便開始利用爆轟法制備這種極具應用前景的材料。雖然水熱合成、離子轟擊、微波等離子體化學氣相沉積技術等工藝也能獲得納米金剛石，但爆轟法與它們相比，反應速度更快、效率更高、能節省能源，目前已成為納米金剛石的主要工業生產方式之一。

       金剛石是如何被“BOOM”出來的？

       與其他合成方式相比，爆轟法的個性顯然更鮮明。最早使用的爆炸合成技術是爆炸沖擊法，它是以石墨為前軀體，通過炸藥爆炸產生的沖擊波壓力及在其壓力下產生的高溫，使石墨發生相變，轉變為金剛石。這種工藝通常在室外進行，得率低且不穩定，回收率也低。美國杜邦公司每千克炸藥可生產12g，我國20世紀70年代也曾研究過用這種方法合成金剛石，每千克炸藥可生產金剛石的最高記錄為6g。

       由于爆炸沖擊法的種種缺點實在難以忽略，因此更適應現代工業生產的爆轟合成法便誕生了。爆轟合成法是以炸藥為前軀體的制備方法（通常采用TNT和RDX炸藥為原料），即在爆轟瞬間的高溫高壓條件下，利用負氧平衡炸藥在爆轟時沒有被氧化的碳原子，經過聚集、晶化等一系列物理化學過程，形成納米尺度的碳顆粒集團，其中包括金剛石相、石墨相和無定形碳。用氧化劑除去非金剛石的碳相，就得到納米金剛石。

爆轟法過程示意圖

（圖片來源：大賽璐株式會社）

       目前爆轟法除了用于納米金剛石的研究開發外，還被推廣到多種納米材料的研究中，如納米石墨、納米氧化鋁、納米氧化鈦、納米氧化鐵、碳包納米金屬、納米氧化鈰、納米錳酸鋰以及錳鐵氧體等的研究。

       是否存在不足？

       通過爆轟法制備的納米金剛石具有金剛石和納米材料的雙重特性，不僅具備金剛石的超高硬度、良好的化學穩定性和耐磨性等特性，還具備納米材料特有的比表面積大和量子效應等特點，其熱、磁、光、電特性不同于正常粒子，從而使其在機械加工、光學、生物學、醫學等領域有著廣泛的應用。

左：納米金剛石電鏡圖   右：納米金剛石的顆粒性質

       不過由于納米金剛石比表面積大，吸附在表面的官能團較多，如-OH、-CH2、-COOH等，且由于前期處理方式的不同，納米金剛石表面還可能吸附-SO4、-Cl等?上述官能團的存在，改變了納米金剛石的表面電位，極易使納米金剛石顆粒發生團聚，從而導致納米金剛石的優異特性無法充分發揮，嚴重限制了納米剛石的應用。

       為了解決這個問題，科研人員采用了不同的方法對其進行表面改性，使之能達到納米顆粒在不同體系中解團聚且穩定分散的效果，具體可分為物理分散和化學處理。前者包括超聲波分散、激光分散和機械力分散等；后者具體包括表面氧化、表面修飾和表面包覆等。

       物理分散法：

       ①王沛等研究了不同超聲波時間對納米金剛石顆粒分散效果的影響。實驗結果表明：隨著超聲波分散時間延長，納米金剛石拋光液中磨料平均粒度尺寸不斷減小。

       ②張泰平研究了激光燒蝕法對納米金剛石分散效果的影響。研究結果表明：經過激光燒蝕法分散處理的納米金剛石，在去離子水中表現出良好的分散性。

       化學處理法：

       爆轟法合成的納米金剛石顆粒表面存在大量的缺陷，顆粒間通過碳氧鍵（C-O-C）或氫氧鍵（H-O-H）互相連接，導致粉體之間的硬團聚。

不同的化學處理方法

（圖片來源：大賽璐株式會社）

       ①許向陽等研究了利用高氯酸、硫酸等氧化性酸或高錳酸鉀等鹽類對納米金剛石粉體進行表面氧化，改變顆粒表層物相組成，去除石墨相和無定形碳成分，同時改變金剛石表面的官能團組成，有效改善了顆粒的懸浮性能。

       ②彭雪峰通過鹵胺化合物對納米金剛石表面進行改性。以納米金剛石為載體，季銨化鹵胺高分子為改性物。結果表明聚陽離子對納米粒子具有明顯的解團聚效果，可將納米金剛石團聚體分離成尺寸40~50nm的粒子。

       爆轟法納米金剛石的應用現狀

       我國從20世紀80年大后期開始，逐漸對爆炸法合成超硬材料展開了研究。雖然相比國際而言起步較晚，但發展得很快，北京理工大學最先對納米金剛石的爆轟制備進行了深入研究，完善了納米金剛石的爆轟制備實驗及理論，并建立起了生產線。目前國內已經有數條生產線并形成了超過1億克拉的生產規模。

       而在應用方面，納米金剛石不但有著金剛石的綜合優異特性，還有對人體無害的良好的生物兼容性；對雷達波、紅外光有巨大的透射率和吸收率，優異的冷陰極場發射效應，表面有許多羧基、羥基、羰基等功能團，很容易同金屬、橡膠、塑料聚合物表面緊密結合等等。目前，納米金剛石主要用于以下幾個方面：

       ①爆轟合成的超微金剛石CVD法用于制備金剛石薄膜；

       ②超微金剛石用于化學復合鍍研究；

       ③用于潤滑油、固體潤滑劑和潤滑冷卻液；

       ④燒結體；

       ⑤用于紅外、微波吸收材料的可能性；

       ⑥用于磁性錄音系統；

       ⑦用于隱身材料催化方面；

       ⑧將納米金剛石添加在橡膠、聚合物中，可改善性能；

       ⑨將納米金剛石添加到炸藥中，可提高炸藥的爆炸威力；

       ⑩將納米金剛石添加到燃料油中，可提高燃油的分散度和燃燒值。