２００９年１２月 第ｌ２卷第１２期 现代涂料与涂装 Ｍｏｄｅｒｎ Ｐａｉｎｔ＆Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ＤｅＣ．２０ｏ９ Ｖｏ１．１２ Ｎｏ．１２
国匿圈
纳米金刚石在特种功能涂料中的应用进展
孙哲ｔ，李 洁－，杨康 ，彭雁 ，杨茂林 ，王国炜 ，孟军锋
（１．北方涂料工业研究设计院，兰州７３００２０；２．甘肃金石纳米材料有限公司，兰州７３００００）
摘要：阐述了纳米金刚石的起源、特性以及该产品在国内外的主要应用领域，着重介绍了纳米金刚石的分
散研究及其在特种功能涂料中的应用，并就目前国内纳米金刚石在涂料领域的研究和应用的内容
及方向作出了展望。
关键词：纳米金刚石；分散；特种涂料
中图分类号：ＴＱ６３７；ＴＱ１６３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９５４８（２００９）１２—００３２—０６
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏａｔｉｎｇｓ
ＳＵＮ Ｚｈｅ，ＬＩ Ｊｚｅ，ＹＡＮＧ Ｋａｎｇ，ＰＥＮＧ Ｙａｎ，ＹＡＮＧ Ｍａｏ－ｌｉｎ，ＷＡＮＧ Ｇｕｏ－ｗｅｉ，ＭＥＮＧ Ｊ￣ｎ－ｆｅｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｖｅｎａｎｃｅ，ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ
ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏａｔｉｎｇｓ，ａｎｄ
ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｓｐｅｃｉａｌ ｔｙｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏａｔｉｎｇ
１ 引言
纳米金刚石（ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ）是指晶粒度在１００ ｎｍ
以下的金刚石颗粒。在２０００年以前或者更早的国外
文献中，也称这种金刚石为ｕｌｔｒａ ｆｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ（简称
ＵＦＤ），翻译为超微（细）金刚石，还有一种叫法是ｕｌ—
ｔｒａ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ（简称ＵＤＤ），翻译为超分散金刚
石。而在国内其它学术文献中，多称为“纳米金刚石”。
２０００年以后，受国际纳米材料热的影响，国内的学者
基本上都开始用“纳米金刚石”这个名称。到这时，这种
金刚石的名称基本上得到统一，大家都称它为“纳米
金刚石”。
半个多世纪以来，材料研究工作者开展了若干人
工合成金刚石的方法。１９５４年，美国通用电气公司首
先利用石墨为原料，在金属触媒的参与下，使用静态高
压高温的方法合成出了金刚石口１。ＤｅＣａｒｌｉ于１９６１年使
用动态高压法（爆炸法）成功地制得了纳米金刚石闼。
１９７５年，Ｆｅｄｏｓｅｅｖ等人利用低压化学气相沉积法
（ＣＶＤ）制得了普通金刚石膜［３１。２０世纪８Ｏ年代初，前
苏联科技工作者率先利用负氧平衡炸药爆轰合成出了
纳米金刚石。１９８３年，Ｆｅｄｏｓｅｅｖ和Ｄｅｒｊａｇｕｉｎ报道了用
激光辐照固相含碳物质的金刚石合成方法 。１９９２
年，Ｏｇａｌｅ等人利用红宝石激光辐照浸泡在苯中的石
３２ 墨靶合成了金刚石，将激光诱导固态转变合成金刚石
进一步扩展到液态介质环境［６１。
本文主要阐述了纳米金刚石在国内外的研究及应
用状况，尤其是在分散技术及特种涂料方面的应用研
究，并对纳米金刚石在我国涂料行业的应用进行展望。
２纳米金刚石的合成及表面状态分析
目前，人工合成金刚石的方法主要有静压法、沉
积法以及动压法。动压法是利用瞬时产生的高压高温
条件来生成金刚石，根据合成金刚石的原料不同，可
以分为以下３类：笫一类是冲击波法，利用高速飞片
撞击石墨靶板，使石墨在撞击过程中生成微米级金刚
石，国内最早开始这一方面研究的是中科院物理研究
所。第二类是爆炸法或是称作爆轰波法，就是将石墨
与高能炸药混合，在炸药爆轰的过程中压缩石墨使其
变为金刚石。最后一类是爆轰产物法，也就是利用负
氧平衡炸药爆轰来得到晶粒度在纳米量级的金刚石。
图１是俄罗斯Ｄｉａｍｏｎｄ Ｃｅｎｔｒｅ Ｌｔｄ．爆轰法制备纳米金
刚石的局部设备。
爆轰法与前面两种动压法的最大区别在于，前两
种方法需要提供碳源，制备的金刚石粒度大部分在微
米级或者更大。而最后一种方法是不需要提供额外碳
源的，炸药本身既提供高压高温条件，还提供碳氢 ２００９年ｌ２月 第１２卷第１２期 现代涂料与溶装 Ｍｏｄｅｒｎ Ｐａｉｎｔ＆Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ＤｅＣ．２０Ｏ９ Ｖ０１．１２ Ｎｏ．１２
源。爆轰法制备纳米金刚石的基本原理如下：负氧平
衡炸药在保护介质环境中爆炸，爆炸过程中多余的碳
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。经过选择性的氧化化学处理，去除非金刚
石相后，得到纳米尺度的金刚石粉末。
图１俄罗斯Ｄｉａｍｏｎｄ Ｃｅｎｔｒｅ Ｌｔｄ．爆轰法 制备纳米金刚石的局部设备
我国爆轰合成纳米金刚石的研究比较晚，大约从
２０００年后，纳米金刚石的研究才从实验室水平走向规
模化生产。虽然起步较晚，但纳米金刚石研究生产发展
的加速度很大，能规模化生产纳米金刚石的企业如雨
后春笋般地蓬勃发展起来了。我国主要几家生产纳米
金刚石的企业及公司有：
甘肃金石纳米材料有限公司（原甘肃凌云纳米材
料有限公司；
深圳市金刚源新材料发展有限公司；
北京九龙华源金刚石超细粉研究所；
长沙矿冶研究院；
天津乾宇超硬科技公司； 山东黄金集团金凯驰纳米科技有限责任公司；
北京博纳士有限公司；
河南省恒翔金刚石磨料有限公司；
北京国瑞升科技有限公司；
郑州联合新材料公司；
上海起亚研磨科技有限公司；
广州艾普纳米科技有限公司；
陕西艺林实业有限公司。
纳米金刚石粉中的Ｃ元素含量和金刚石相含量
是两个不同的概念，需要澄清。从目前所有制备的纳
米金刚石粉的测试结果来看，纳米金刚石中主要元素
为ｃ，其质量分数由于制备方法的不同有所变化，但
大部分都在８５％～９０％之间。其它较多的元素杂质如
Ｈ≤ｌ％，Ｎ≤６％，０≤１０％，还含有其它的杂质，如
Ａｌ、ｓｉ、Ｃａ、Ｆｅ等，其含量在１０ ｌＯ 量级。从表１的 测试结果可以看出，在制备纳米金刚石时，由于使用
不同材质的爆炸容器，对纳米金刚石中的金属杂质含
量有绝对的影响【７】。 表１纳米金刚石中其它杂质元素的含量 ×１０－６
利用ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）对纳米金刚石原料
的元素构成进行分析得出，纳米金刚石表面的主要元素
为Ｃ、Ｏ、Ｎ，其中ｃ元素占９０．６５％，０为８．０９％，Ｎ为
１．１４％，此外还有Ｓ、Ｃｌ等。纳米金刚石表面的Ｎ处于多
种化学环境中，其主要化学状态是胺类基团形式１８１。
３纳米金刚石的应用领域及国内外应用现状 与其它材料相比，金刚石具有很多的优异特ｌ生，在
所有材料中，金刚石具有最高的硬度、最高的热导率、
最高的传声速度、高的耐磨性、低的摩擦系数，既是电
的绝缘体，又是热的良导体，掺杂后可成为卓越的ＰＮ
型半导体，有宽的禁带宽度，高的空穴迁移率和最宽的
透光波段（０．２２５ ｍ至远红外），正是上述特性为它
在现代科技和工业领域中的广泛应用提供了坚实的技
术基础，也是其它材料不可比拟的重要原因。
３．１滑润技术领域 近来的研究表明，纳米金刚石添加到润滑油中显
现出以下优越性。
（１）提高产品的质量和竞争能力；提高运输工具和
装置的工作寿命；节约润滑油材料。
（２）摩擦动量降低２０％～４０％。
（３）ｆ￣擦面磨损减少３０％～４０％。
（４）摩擦副的快速磨合。 纳米金刚石的单位消耗：１ ０００ ｋｇ润滑油中为
０．０１～０．２０ ｋｇ。纳米金刚石在润滑油中的奇特功效出
乎许多人的预料，它不仅用于制作发动机油，亦可制
作蜗杆油、齿轮油、液压油、真空泵油、高速机械油、机
床油等。据权威人士估计，２００２年我国消耗润滑油约
４．０ｘｌ０６ ｔ，销售额几百亿元，且以每年１０％的速度递
增。有人预测，纳米金刚石制成改性润滑油会在近期 ２００９年１２月 第ｌ２卷第１２期 现代涂料与溶装 Ｍｏｄｅｒｎ Ｐａｉｎｔ＆Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｄｅｃ．２００９ ＶｏＩ＿ｌ２ Ｎｏ．１２
形成一个热潮，并真正将纳米技术产业化［９１。我们期望
出现一个新的具有中国特色的纳米润滑油行业。
３．２研磨与抛光领域
研磨与抛光是金刚石的一个很重要的应用领域。
用“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ（金刚石黑粉）”型金刚石微粉制成的磨
具和研磨剂，可用于精细陶瓷、集成电路芯片、各种
宝石、铁氧体磁头、石英片、硬质合金、光学镜头、硬盘
磁头等各种坚硬材料制品表面的精加工和抛光。与单
晶金刚石微粉相比，其加工效率高、使用寿命长、表面
光洁度高，显示了极其优异的性能。用国产的团球状
“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”聚晶金刚石抛光后，工件表面不平度可降
到０．６ ｎｍ以下，显示出它的独特优越性。十多年前，
美国芯片的合格率常常低于５０％。目前，在美国一流
工厂生产芯片的合格率达到８０％以上，Ｍｙｐｏｌｅｘ聚晶
金刚石在芯片超精抛光中起着重要作用。因此，团球状 金刚石微粉将在２１世纪的芯片表面加工产业中发挥
重要作用。１９９７年世界芯片产量已达１ ５００亿块，其
中１５０亿块用于微处理器。随着芯片精度的提高及其
容量的扩大，对于确保产品最终表面精度的爆炸合成
金刚石微粉的需求必将同步增长，国内芯片制造业的
发展必将为聚晶金刚石微粉提供巨大的市场［９１。
３．３电镀技术领域
据了解，世界上每年金属腐蚀损耗大约１ ５００亿
美元，我国年损耗在１ ５００亿人民币，而金属电镀是
解决这一技术难题的途径之一。近年来，金刚石用于
复合镀的技术报道频繁，复合镀层的高硬度和耐蚀性
Ｅｔ益受到关注。但由于一般的金刚石颗粒为微米级或
亚微米级，颗粒较粗，得到的镀层组织难以满足精密
仪器、高光洁度表面、精细加工和更高的耐磨性等要
求。随着纳米金刚石生产技术的飞速发展，特别是２～
１２ ｎｍ金刚石的出现，采用纳米金刚石形成复合镀层
有望弥补这一不足。电刷镀技术是近年来［１０－１１】在电镀
技术的基础上发展起来的一种新型表面改性技术，能
解决一些其它技术难以解决的机械零部件修复的问
题。中科院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实
验室与兰州大学材料系合作，对含纳米金刚石的复合
镍刷镀层的摩擦学特性进行了研究，结果显示，该镀
层具有极好的减摩耐磨性能，在试验范围内，其减摩
耐磨性能随着纳米金刚石黑粉含量的增加而提高。
我国目前年产３０多亿只气缸，主要配套用于汽 车、摩托、家电、矿山机械、纺织机械、船舶制造和精密
机床仪表、军工等产业，急需纳米复合电镀工艺升级。
另外，我国模具和塑料、玻璃的装饰镀的市场巨大，
据粗略计算，如果电镀表面达３．０ｘｌ０ｓ ｍ ，电镀层厚
度按５ ｍ计算，每平方米需用纳米金刚石０．２ ｇ，则 纳米金刚石一金属复合镀添加剂所需纳米金刚石将达
到６．０Ｘ１０ｓ ｋｇ。纳米金刚石复合电镀前景广阔。
３．４纳米金刚石膜的制备及应用
从２０世纪８Ｏ年代起，ＣＶＤ金刚石膜取得突破性
进展。常规ＣＶＤ金刚石膜晶粒度较大，呈柱状生长，表
面较粗糙，同时高硬度表面给后续抛光处理带来很大
困难，直接限制金刚石膜的推广应用和产业化进程。因
此，许多研究者致力于改善常规金刚石膜的表面粗糙
度和后续抛光技术。随着ＣＶＤ沉积金刚石膜技术的发
展与成熟，纳米金刚石膜涂层技术应运而生。纳米金刚
石膜晶粒非常细小，可达７—１０ ｎｍ［ ，甚至更小（２—６
ｎｍ）【ｌ３Ｊ，比常规金刚石膜小２个数量级以上；表面光
滑，膜摩擦系数很小，可达到０．０３［ ４１。而且纳米金刚石
膜的硬度比传统金刚石膜低１０％～２０％，因而非常有
利于膜进行后续抛光；同时由于纳米效应，纳米金刚
石膜电阻率下降和红外通过率增加，使其在微电子和
光学领域有极具潜力的应用前景。
纳米金刚石复合涂层就采用了ＣＶＤ技术，既具有
常规涂层附着力强、耐磨等特点，又具有纳米金刚石涂
层表面平整光滑、摩擦系数小、容易研磨抛光等新的优
点，是一种理想的组合。采用纳米金刚石复合涂层技术
开发研制的各种涂层产品（拉丝模、涂粉模、紧压模、定
径套、轴承支撑器和拉伸模等），不仅将大幅度提高模
具和工具的使用寿命，有效降低成本和提高生产效率；
而且能从根本上改进加工质量，提高产品档７欠【 ５１。据
报道『１ｑ，由上海交通大学开发的纳米金刚石复合涂层
拉拔模具产品，已由上海交友金刚石涂层有限公司实
现产业化。该产品已在江苏上上电缆集团有限公司、上
海华普电缆有限公司等７０多家生产企业应用，为应用
企业带来了显著的经济效益，新增产值１４亿元，利润
４ ５１０万元，税收６ ００９万元，节约资金３ ５７１万元。
鉴于纳米金刚石膜拥有上述优越性，因而可望在
不远的将来成为新型模具涂层材料、微电子与半导体
材料、新型光学材料、光电子材料。目前，我国已在红外
窗口、耐磨涂层等方面进入产业化阶段，并形成了一支
高素质的技术群体。当然，与国外相比，我国起步较晚，
许多技术还不成熟。
３．５增强技术领域
纳米金刚石用作高分子材料的填料，可显著增加
其耐磨性和韧性。据国外相关报道，在飞机和轮船制造
业中，纳米金刚石可广泛应用于聚氨酯橡胶、丁腈橡
胶、聚异戊二烯橡胶、丁苯橡胶中用以制成常温垫圈、
低温垫圈以及机械橡胶部件，可以全面提高工件的耐
磨性、撕裂强度、抗疲劳性，并可降低摩擦系数，使工件
的使用寿命提高１．５～３．
０倍。我国在这一方面也有相