18世纪末,科学家们确定了天然金刚石是碳元素的一种结晶,启示了人们用石墨做原料,用人工的方法给石墨施加高温高压的条件,达到人造金刚石的假设。
1954年,美国通用电气公司的F。P。Bundy[6]等人第一次采用石墨为原料,在高温高压条件下以镍为触媒成功合成金刚石,这次实验,使人造金刚石正式投入生产。工业当中使用的金刚石主要是人造金刚石,全世界每年的消耗量巨大,大概为10亿克拉,金刚石的产量往往不能达到市场的需求。目前科学家们研发出的人工合成金刚石的方法主要有三种,分别为动压法[7],化学沉积法(CVD)和静压法。79337
但是以上的几种方法存在很多的缺点:动压法制成的金刚石,部分产物会发生石墨化,因为其在降温,降压时的过程中不容易控制,物料只在冲击波波阵面附近发生相变,所得的产物得率较低,并且颗粒的大小只限于原料颗粒大小。CVD法制成的金刚石薄膜需要用到很多的复杂设备,来达到粒子束、高真空或产生等离子态所需要的要求,静压法会受到许多限制,如相变速率不高、压力不可能太大,无触媒作用,只能制成较小的金刚石[8]。论文网
近30年来科学家们发现了一种人造UFD的新技术,爆轰法合成UFD[9,10],此方法的基本原理与动压法相同,这种方法使UFD的制备有了新的途径。
UFD首次出现在人们视线是在1984年,前苏联科学家报道了合成UFD的实验[11]。随后在实验的基础上,采用14kg的药量在直径为12米的爆炸室中进行了爆炸制得UFD,产物的得率为10%,随后几年苏联实现了生产。
在此之后,美国、日本、德国的研究者们也陆续对UFD的实验研究进行了报道[12,13]。
我国在与国外相对较晚的时间对UFD开始研究,从1992年开始,中科院兰州化学物理研究所金增寿、甘肃省化工研究院的徐康以及北京理工大学的恽寿榕等人陆续做了研究,北京理工大学报道的得率已经超过了其他国家,但是实验规模及产物的性能均落后于国外先进国家[14]。
另外一种合成金刚石的方法为渗碳法,在炸药中渗入石墨或其他含碳物质爆炸合成金刚石,这种方法与前一种为两种不同的技术方法,通过渗碳法获得的金刚石粉粒径为0。01~10μm。爆轰法合成UFD与传统的方法相比,工艺更简便,投资更少,周期更短,生产效率更高,产物的纯度也更高。成功合成UFD揭开了超硬纳米材料制备和使用的序幕,拓宽了纳米材料的研究领域。
爆轰法合成UFD的研究在科学发展领域具有特殊的意义,首先,UFD为爆轰固相产物的一部分,要想从根本上了解合成UFD的机理,就必须对整个爆轰过程当中固相碳的成长进行研究。包括固相碳微粒聚结长大过程研究、凝聚相碳的状态方程研究和UFD合成数值模研究等。通过这些研究可以了解到爆轰整个过程当中的具体情况,推动了炸药爆轰的理化过程理论研究。
其次,通过UFD的阵畸变测量,晶相分析和晶粒尺寸,可以知道纳米颗粒的属性不同于宏观晶体,UFD相图及相转变是依据宏观晶体来考虑的,所以爆轰波中UFD的相生成及动力学不可以完全用平衡相图来说明和估计,对传统的碳想图提出挑战,扩充了碳的研究领域。
最后,作为新型材料,UFD在符合镀层添加物、感光材料,润滑油添加物。精细研磨材料等多个方面都有很广阔的应用前景。随着纳米技术的发展和应用性能的发掘,UFD将拥有更广阔的应用前景[15]。