摘要爆轰法是一种新颖的制备纳米材料的方法。

近几十年来,许多研究工作者利用爆轰法在高温高压条件下制备出了金刚石，石墨，氮化硼等纳米材料。

本文主综述了纳米石墨粉的特性、用爆轰法合成纳米石墨的机理、对于纳米石墨粉的制备工艺、对于纳米石墨粉XRD及拉曼的测试分析结果，并且提出了对于这种新材料在未来的应用前景。

关键词：爆轰法，纳米石墨粉，XRD和拉曼测试，应用前景AbstractAs a novel method, detonation method has been used to prepare many kinds of nanosized material, such as diamond, graphite and boron nitride in the last several decades. This article mainly reviewed the mechanism, the summary of the synthesis processes, the properties of nanosized Graphite via detonation method, the analyzed results with XRD and Raman. Finally, there are some suggestions and the in-depth research or prospects on applications of detonation method and nanosized Graphite.Keywords：Detonation method, Nanosized Graphite, The test with XRD & Raman, The prospects of the nanosized Graphite目录1．引言 (1)2．纳米石墨粉特性表征 (2)3．爆轰法制备纳米石墨粉工艺 (2)3.1制备原理 (2)3.2原材料 (2)3.3制备过程 (2)4．测试结果 (3)4.1纳米石墨粉的XRD分析 (3)4.2纳米石墨粉的拉曼分析 (3)5．纳米石墨粉的生成机理初探 (4)6．结论 (4)7．应用前景 (4)7.1制造新概念武器——石墨炸弹 (4)7.2用作制导干扰器 (5)7.3用于制造隐身材料 (5)7.4用作储氢材料 (5)7.5场发射材料 (5)7.6其他应用 (6)8.参考文献 (6)1．引言与大部分的材料相比，纳米材料具有很多特别的物理性质和化学性质。

这些性质体现在材料的熔融点、压强、相变温度、光学性质、化学特性、超导性质、电磁性质和塑化变形等方面。

至于合成纳米材料的方法，通常可以归纳为两类。

其一是将分子加入纳米微粒，其二是将大分子材料转化为纳米微粒。

这些合成方法或多或少都有一些缺点。

有些方法需要特殊的设备：高真空的环境，以及巨大的能量；有些方法很难规划；还有一些要在难控制的条件下并且得到的产率非常低。

与此同时，纳米化的微粒很容易凝结为大分子，这些大分子在一定程度上就会失去特性。

作为一种新式方法，爆轰法在合成纳米粉末微粒方面有着非常卓越的效果，因为这技术在初始原料的混合方面很有优势。

它不需要消耗巨大的能量，产品的产率相当高，并且可以通过平衡化学反应来大幅度地减少污染气体的生成。

在一定程度上，它与传统的合成方法有相同的特点，比如在低温的燃烧过程，分散高温的分解，它拥有更高的温度和快速分散的性质。

爆轰法适合于合成很多种类的纳米材料，比如单质，金属氧化物和复合物，也可以作为其他传统合成反应的补充剂。

与此同时，我们可以通过爆轰反应参数对初备微粒进行尺寸上的控制，反应的能耗、经费会相应减少，并且准备过程可以在极短的时间内就完成。

碳是宇宙中分布最广的元素，不但形成了种类繁多的化合物，并且可在不同条件下形成不同结构的单质。

最近十几年由于纳米技术的兴起与蓬勃发展，纳米碳材料成为材料学界研究的重点和热点，碳元素的纳米单质体，也成为各国学者们研究的热点，如纳米金刚石粉、纳米石墨粉、富勒碳、碳纳米管等。

石墨是碳材料中最常见的结晶状态，它具有耐高温、抗腐蚀、自润滑、无毒及价格低廉等特性，应用广泛。

由于高纯纳米石墨粉在某些高新技术领域有应用前景，近些年来开始得到开发。

以前有学者用普通石墨粉高能球磨法和纳米金刚石粉加热相转变法制备了纳米石墨粉。

但因石墨本身具有自润滑的特性，传统的高能球磨制备纳米石墨粉，既费时能耗义大，成本非常高；用纳米金刚石粉来制备纳米石墨粉也存在成本昂贵的问题，制备成本高、能耗大、生产效率低使得这2种方法很难进行大规模工业化生产，因此需探寻新的纳米级石墨粉的制备方法。

用炸药爆轰法合成纳米金刚石材料，是八十年代末期发展起来的制备金刚石的一种新方法。

其原理可概括为：在负氧平衡的条件下，炸药爆轰发生分解反应生成游离碳，在爆轰产物高温和高压作用下发生碳原子的聚集、结构重排等一系列过程，其物态也由气态经液态转化为固态，最终产物的晶态是金刚石还是石墨取决于爆轰产生的热力学条件和爆炸环境等因素。

为了通过爆轰制得纳米石墨，应使所用炸药的爆轰热力学条件尽量处于或尽快趋于碳相图中的石墨相稳定区。

可通过调整原材料配比，装药结构以及保护介质成分等条件进行控制。

前人着重控制炸药成份，用梯恩梯（TNT）与黑索金（Hexogen）的混合炸药，力图使爆炸后残留的游离碳更多地转化为纳米级金刚石，此过程中产生的纳米石墨和无定形碳只作为多余物质而用化学方法除去。

这是目前唯一可大量制备纳米金刚石的方法，这样获得的产物粒度分布集中(5～8nm)，可作为合成超硬材料的原料，也可直接作为纳米材料应用。

在用爆轰法成功制备纳米金刚石之后，我们利用负氧平衡炸药爆轰的方法，用单一的成分炸药，并调整炸药爆炸时的环境气氛和制各工艺参数，制备出基本不含纳米金刚石的纳米石墨粉。

目前，爆轰法纳米石墨的生成原理已基本清楚，对影响品质和得率的主要因素进行了系统研究，制备工艺已基本成熟，可望用于规模生产。

2．纳米石墨的特性表征如纯度、颗粒度、晶粒度、比表面积和形貌等，都已经进行了定量和定性表征，其结果列入下表中。

但对其热、光、电、磁等特性的表征还未见报道，这些特性对应用研究是非常重要的，同时也是难度较大的工作。

3．制备工艺1.制备原理：爆轰法是利用负氧平衡炸药在密闭容器中爆炸，炸药中没有被氧化的碳原子，在爆炸产生的瞬时高温高压条件下生成游离态碳原子，在冷却的过程中发生相变，从而形成金刚石或石墨。

爆轰前先用机械泵将容器内压力抽至100Pa以下，再分别在容器中预先充入氮气、氩气、二氧化碳等惰性气体，压力为0.025MPa~0.2MPa。

2.原材料:纯TNT药柱数个，质最约50g～60 g，密度为1.50 g/cm3。

爆炸时的保护气氛：C02，Ar，N2，真空(约200Pa)。

3.制备过程：炸药在密闭爆炸容器内爆炸。

爆炸容器系自行设计建造，最大允许爆炸TNT当量为80g。

将药柱固定在爆炸容器内合适位置，将爆炸容器内抽成真空(约为200Pa)，分别充入C02，Ar，N2和不充任何保护性气体的真空(约为200Pa)。

点火引爆药柱，待产物沉降完毕后排出废气。

收集容器内壁及底部的黑色粉末，用150μm孔径筛除去其中少量大颗粒杂质(如雷管残渣及金属导线等)，最终得到黑色粉末状的产物。

此产物与药柱的质量比为20％～28％。

对黑粉用酸液进行处理后，用去离子水洗至中性，经干燥等后续处理，在干燥皿中进行存放。

4．测试结果对制备的粉末(未作酸处理的为1#，酸处理过的为2#)，用烧蚀法进行了元素分析，结果表明元素组成为C％：87％;H％：0.5％;N％：1.6％;O％：10％(质量百分数)。

分别对黑粉进行了x射线衍射分析、激光拉曼分析，并用小角x光散射仪对其粒度进行测定，结果如下。

X射线衍射图谱是利用衍射线的方向及其强度来研究材料的性质的。

X射线衍射技术是材料学研究最常用的分析测试手段之一。

利用X射线衍射图谱可以对材料进行物相分析、精确测定材料的点阵参数、宏观应力、织构的测定、晶粒的计算等。

对于碳材料，还可以利用X射线衍射图谱进行石墨化度分析。

1.纳米石墨粉的XRD分析X射线衍射分析使用荷兰的PhilipsAPD-10型x射线衍射仪(Cu靶Ka白线，管压40kv，电流40mA，波长λ0=0.15406nm)，测角仪精度为土0.02o。

扫描角度为15o一60o。

纳米石墨粉的XRD图谱右图所示。

图中1#和2#线分别为未酸处理的和已酸处理的纳米石墨粉的衍射谱线。

由图可知，l#谱线含有少量金属杂质，而在2#谱线中，除了石墨的谱线外未发现其它谱线，这说明经酸处理的纳米石墨粉基本不含金属杂质，但可能含有少量的无定型碳，所有谱线中未发现有明显金刚石结构对应的谱线。

与普通石墨的衍射峰比较，纳米石墨峰严重宽化．向左偏移，表明石墨的晶粒很小，并且有严重的晶格畸变。

2．纳米石墨粉的Raman分析激光拉曼分析使用英国RENISHAW的RM2000型显微共焦拉曼光谱仪。

激光器波长514.5nm，显微尺寸范围≤1um，光谱分辨率1 cm-1。

由下图可知，纳米石墨粉(包括未酸处理和已酸处理)在1353cm-1和1585cm-1。

有2个宽化的Raman峰，分别对应于高纯石墨的特征峰D峰(1354cm-1)和G峰(1580cm-1)。

纳米石墨粉的D峰和G峰宽化和峰移是由于纳米尺寸效应造成的，由此可以证明炸药爆轰法制备的黑粉为石墨结构。

5．纳米石墨粉的生成机理初探炸药爆炸是一个既快速而又复杂的化学变化，对其过程的详细研究是很困难的，目前人们对它的认识还很不完善。

在实验中我们所使用的梯恩梯(TNT)炸药是一种“负氧”平衡炸药，其分子式为：C7H5N3O6，在爆炸过程中，其化学反应式为：2 C7H5N3O6→5H2O+3.5CO+3.5CO2+3N2+8.5C可见，TNT中的一部分碳原子和氧结构．生成CO和C02，但还有一部分游离碳以原子或原子团的形式存在。

炸药在爆炸过程中，爆炸产物的初始压力可达18～25GPa，温度可高达3000～3500K。

由碳的相图可发现，在这种条件下产生的石墨粉微粒是稳定的。

因此可以认为由TNT 产生的游离碳原子或原子团，这些原子或原子团在反应区中经扩散碰撞凝聚成较大的具有一定尺寸的碳液滴形式存在。

当液滴互相粘结长大到一定程度，它将逐渐失去液体性质，以所谓的准液态(表面原子层为液态而内部为有序结构)存在。

同时由于爆轰产物的膨胀冷却，它将迅速冷凝固化。

在这种高压和高温条件下，碳液滴可以相互结合生成石墨。

但是在炸药爆炸过程中，由于爆炸压力极大，晶核的生长比较困难。

另外，由于爆炸后产生的高压持续时间极短(10-6～10-7以下)，因此石墨晶核来不及生长成较大的晶粒，而只能生成大量尺寸很小且结晶不完整的球状纳米石墨微粒。