纳米技术<1> 的研究范围为 1～ 10 0ｎｍ ,其研究的出发点是纳米超微粒子构成的、或具有纳米结构的材料 ,要重点研究其特殊性能、应用方向、制备工艺和测试技术。纳米材料自 1984年诞生以来 ,其应用远落后于纳米材料的制备研究<2 > 。纳米材料由于极细的晶粒导致了颗粒具有巨大的表面能 ,颗粒间会自动聚集 ,特别是硬团聚 ,而纳米材料的分散性与稳定性是纳米技术的关键技术 ,故纳米材料的应用至今仍相当落后。美国政府报告明确提出纳米时代的到来需 2 0年左右的时间。众多学者<2 - 5> 认为纳米金刚石可用作精抛光材料 ,但由于其易发生团聚 ,很难将它分散成单独的纳米颗粒 ,故未能真正获得应用。美国用作磁头抛光的金刚石颗粒为微米粉 ,磁头抛光后的表面划痕不易去掉 ,且有镶嵌的金刚石颗粒。本文进行了纳米金刚石用作抛光材料的研究 ,着重解决了纳米金刚石的分散性 ,使它能在矿物油中悬浮 ,并在研磨过程中能抗静电 ,在某磁电厂进行了磁头抛光的实际应用试验 ,结果表明 ,由我们自行研制的纳米金刚石悬浮液能消除磁头表面的划痕 ,表面没有颗粒镶嵌 ,大大改善了磁头抛光质量 ,其抛光性能比美国同类金刚石悬浮液要好 ,建议在抛光过程中使用纳米金刚石悬浮液 ,试验结果证实了纳米粒子可用于超精表面加工的设想 ,为纳米金刚石获得应用向前迈出了一步。1 材料与方法纳米金刚石由爆轰法<4 > 得到 ,其主要技术参数见表。表 纳米金刚石的主要技术参数晶体结构 单晶和多晶 ,单晶呈立方晶结构 ,晶格常数 0 .35 5 9～ 0 .35 70ｎｍ矿物学特性 1ｂ型金刚石晶粒尺度 1～ 5 0ｎｍ(分布 ) ,5～ 6ｎｍ(平均 )比表面积 2 0 0～ 42 0ｎｍ2 /ｇ密度 >3ｇ/ｃｍ3起始氧化温度 70 0Ｋ(空气中 )金刚石得率以炸药量计可达 10 %化学组成 (86～ 90 ) %Ｃ ,(0 .1～ 1.0 ) %Ｈ ,(2 .5～ 3.7) %Ｎ ,(8.9～ 11.4) %Ｏ热传导率 2× 10 -4 Ｗ/ (ｍ·Ｋ) 抛光分散介质为白油 ,其沸点约为 180℃ ,闭口闪点约为 8℃ ,比重为 0 .8左右 ,自燃点 >2 0 0℃。分散剂能减小液相表面张力 ,能使纳米金刚石的表面疏水 ,并具有很好的抗静电作用和清洗作用。纳米金刚石与分散剂按 1∶1的重量比加入到分散介质中 ,分散后的溶液是一种悬浮液 ,能稳定数小时 ,配制各种浓度的悬浮液作为抛光液 ,在现场进行了磁头抛光试验。用原子力显微镜 (ＡＦＭ)与扫描电子显微镜 (ＳＥＭ)进行抛光表面的测试以评价悬浮液的抛光性能。2 结果与讨论2 .1 浓度的影响固定所用工艺参数 ,仅改变纳米金刚石的浓度 ,在 0 .1%～1.0 %的试验浓度范围内 ,浓度的影响很小 ,分布窄的纳米粒子或团聚少和粒度适当的纳米粒子对抛光十分有利 ,显然在固相时加入表面活性剂对获得上述粒子有益。本试验选用 0 .4 %浓度。2 .2 白油的作用保持纳米粒子浓度和研磨工艺参数不变 ,省略磁头抛光的最后两道用纯白油研磨工艺 ,ＡＦＭ和ＳＥＭ显示不用白油研磨其磁头表面质量较差 ,但仍比单用微粉金刚石抛光 (Ｈｙｐｒｅｇ金刚石悬浮液 )的表面质量好。2 .3 ＡＦＭ和ＳＥＭ测试用 0 .4 %的纳米金刚石悬浮液 ,在用和不用白油的情况下 ,ＡＦＭ和ＳＥＭ都显示了前者状态下抛光质量优良 ,抛光面没有划痕和颗粒镶嵌。抛光的ｒｏｗｂａｒ表面的粗糙度为 0 .2 0 0ｎｍ ,后者尚有细划痕和少许颗粒镶嵌 ,表面粗糙度为 0 .2 2 3ｎｍ ;而单用美国Ｅｎｇｉｓ公司的微米金刚石悬浮液抛光 ,在最后使用白油抛光状态下 ,表面粗糙度为 0 .4 5 3ｎｍ ,表面划痕不能消除 ,镶嵌颗粒增多。故纳米金刚石比微米金刚石在超精抛光中有更好的作用 ,进一步的生产应用研究尚在试验之中。2 .4 纳米金刚石在冠面抛光中的作用纳米金刚石在超精加工中可改善表面粗糙度 ,冠面 (Ｃｒｏｗｎ)加工就是要磨出光洁度极高的表面 ,我们将试制的纳米金刚石悬浮液应用于Ｃｒｏｗｎ抛光工艺进行了探索性试验。在现有的工艺条件下 ,转速为 30ｒ/ｍ ,研磨时间为 30ｓ ,试验在 0 .1%～ 0 .5 %的浓度范围 ,ＡＦＭ和ＳＥＭ结果显示出了 0 .2 %的纳米金刚石悬浮液的作用较好。3 结 论(1)纳米金刚石可用作超精加工中的抛光材料 ,能大大降低表面粗糙度。(2 )纳米金刚石用作抛光材料 ,关键技术是使用分散剂 ,这种分散剂能使纳米金刚石在油中能很好分散并悬浮。(3)在磁头抛光中 ,这种分散剂最好具有抗静电作用以消除加工中的静电荷纳米金刚石用作磁头抛光材料的研究$上海大学上海市应用数学和力学研究所!(200072)@胡志孟
$清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室!(北京100084)@雒建斌
$清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室!(北京100084)@温诗铸
$清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室!(北京100084)@高峰
$清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室!(北京100084)@陈大融纳米金刚石;;磁头;;抛光材料;;超精加工研究了油基金刚石悬浮液用作磁头抛光材料的抛光性能 ,用原子力显微镜和扫描电子显微镜观察了磁头抛光后的表面。结果表明 ,纳米金刚石是一种理想的抛光材料 ,用于超高精度表面加工 ,其表面抛光质量要明显优于单用国外同类金刚石悬浮液抛光磁头的质量 ,纳米颗粒的作用十分明显 ,证实了纳米材料可用超精抛光材料<1> 迎接纳米时代的挑战———华中一教授纵论纳米技术
.文汇报,2000年10月2日第6版.
<2> 欧忠文,徐滨士,马世宁等.纳米材料在表面工程中应用的研究进展.中国表面工程,2000(2):5～9
<3> 恽寿榕,黄凤雷,马 峰等.超微金刚石———廿一世纪的新材料.世界科技研究与发展,2000,22(1):39～46
<4> 陈鹏万,恽寿榕,黄凤雷等.爆轰合成超细金刚石的性质及应用.超硬材料工程,1997,(3):1～5
<5> 金增寿,徐 康.炸药爆轰法制备纳米金刚石.含能材料,1999,7(1):3 8～44中国博士后科学基金资助砻媾坠庵柿恳飨杂庞诘ビ霉馔嘟鸶帐∫号坠獯磐返闹柿?,纳米颗粒的作用十分明显,证实了纳米材料可用超精抛光材料<1> 迎接纳米时代的挑战———华中一教授纵论纳米技术.文汇报,2000年10月2日第6版.
<2> 欧忠文,徐滨士,马世宁等.纳米材料在表面工程中应用的研究进展.中国表面工程,2000(2):5～9
<3> 恽寿榕,黄凤雷,马 峰等.超微金刚石———廿一世纪的新材料.世界科技研究与发展,2000,22(1):39～46
<4> 陈鹏万,恽寿榕,黄凤雷等.爆轰合成超细金刚石的性质及应用.超硬材料工程,1997,(3):1～5
<5> 金增寿,徐 康.炸药爆轰法制备纳米金刚石.含能材料,1999,7(1):38～44中国博士后科学基金资助
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