CN101492800A - 非晶纳米金刚石涂膜及成膜新工艺 - Google Patents

Abstract

非晶纳米金刚石涂膜及成膜新工艺属纳米技术及表面工程技术领域。本发明是先用石墨制成金刚石纳米颗粒，由于“小尺寸效应”，“表面效应”使其熔点大大降低，因而才能用等离子束热熔法喷涂成纯金刚石膜。金刚石纳米颗粒还可以用硅、一氧化铜、树脂、油脂做胶结剂喷涂成膜(层)，经自然固化、低温固化、烧结固化、固化剂固化形成金刚石非导体膜、金属膜、树脂膜、油膜；金刚石纳米颗粒还可以掺对补强剂，形成复合金刚石膜，用以增强性能，扩大使用范围。金刚石膜具有耐极高、低温、吸波隐形、防弹破甲、防燃、防腐、润滑耐磨等优良性能，在军事、高科技、航空航天、航海、石油化工、机械、冶金、光学、电学、生物、医药、人造宝石都有广泛的用途。

Description

非晶纳米金刚石涂膜及成膜新工艺

非晶纳米金刚石涂膜技术属纳米技术、表面工程技术领域，是在军事和高科技领域具有很高的使用价值的新材料、新技术、新方法、新工艺的发明专利。

自从1970年世界上第一次用低温气相沉积方法沉积生成金刚石膜以来，经过将近40年，32个国家的不懈努力研究，创建了十七种金刚石气相沉积方法，但这些方法都是以石墨或碳气化形成金刚石单晶再沉积成膜的，设备昂贵，技术复杂，沉积面积小，形状简单，形成时间长，成本高，故不能大范围推广应用。

本专利是先将石墨加工成纳米金刚石微粉，再用大功率高温等离子纳米粉成套喷涂装置喷涂成膜。所用非晶纳米金刚石微粉是人工高温、高压合成的，颜色为浅灰色到黑色，在40万倍电子显微镜下观测为立方晶系，在x光衍射仪下粒径在2-8nm的占67.8％，8-16nm的占24％，16-50nm的占8％，比表面为280-420m²/克，比重3.2-3.48，莫氏矿物硬度为10级，显微硬度70-100Gpa，摩擦系数0.08-0.1，导热率(在室温下)为20W.(cm.K)^-1，电阻率10¹⁶Ω^-cm，击穿电压3.5×10⁶V.cm^-1，介电常数5.5，线膨胀系数1.1×10^-6/℃，透光率225nm-远红外，光吸收0.22，禁带宽度5.45eV，熔点4000℃。

发明内容：

1)非晶纳米金刚石隐形涂膜：

该隐形涂膜适用于隐形导弹、导弹雷达罩、隐形飞机、隐形卫星、隐形战舰、隐形坦克、隐形装甲车、单兵隐形枪械头盔等。非晶纳米金刚石隐形涂膜对雷达波(1-300mm波长)最大反射率＜1％，所以雷达接收不到反回信号，从而达到隐形目的。非晶纳米金刚石隐形涂膜的隐形原理，是依靠小尺寸效应、表面效应、从而达到吸收雷达波作用的。

2)非晶纳米金刚石耐高温涂膜：

非晶纳米金刚石涂膜熔点4000℃，可用在火箭发动机燃烧室、喷气发动机涡轮扇叶、航天机耐高温防护涂层、核反应堆容器、核电轻水堆燃料棒包壳管涂层材料、核聚变环形磁密封容器及磁密闭氘氚聚变真空容器、高能粒子加速器粒子撞击材料、粒子进入非晶纳米金刚石涂膜所产生的电荷，可以准确计数测算其强度。

3)非晶纳米金刚石耐低温涂膜：

非晶纳米金刚石涂膜有极强的化学稳定性、极低的线膨胀系数、在极低温(-270℃)条件下，也能不开裂、不变形、不泄漏。可用在火箭、导弹的液氢、液氧燃料低温容器，在核聚变中氘氚冷冻小球冷藏的低温容器等。

4)非晶纳米金刚石防弹(防燃、防激光)涂膜板：

非晶纳米金刚石涂膜具有硬度大，熔点高的特性，一般弹头很难穿透，可做坦克防弹板、装甲车防弹板、飞机防弹板、民航机驾驶室防劫机防弹板、油箱防弹板、高级骄车防弹板、单兵个人防弹头盔及防弹涂层服装。除了防弹外，由于熔点高，还能防燃烧弹，防激光熔穿。

5)非晶纳米金刚石减摩润滑涂膜层：

非晶纳米金刚石涂膜的摩擦系数很小，硬度很大，耐高温，耐低温，抗幅射，坑真空，抗水淋，抗砂屑，所以非晶纳米金刚石涂膜可做干摩擦轴承，不需要任何润滑油脂，在极恶劣的条件下，都能有很好的润滑作用。以非晶纳米金刚石微粉做极压剂的润滑油脂，润滑效果极佳，还可以产生二次滚动润滑现象。

6)非晶纳米金刚石耐腐蚀涂膜：

非晶纳米金刚石涂膜具有极强的化学稳定性，在高温、低温、高压，真空条件下都能耐各种强酸、强碱、潮霉、盐雾等各种氧化腐蚀，在各种管道、阀门、各种容器、塔、罐、釜中，在石油、化工、食品、生物领域广泛使用。

7)非晶纳米金刚石涂膜可以做内燃陶瓷发动机的汽缸陶瓷涂膜：

非晶纳米金刚石涂膜做内燃陶瓷发动机汔缸涂膜，在1000℃高温时，不影响缸内润滑，不会产生粘连，可以大幅度提高汽缸的压缩比，从而提高缸内燃料燃烧温度，最终达到提高燃料燃烧利用率的目的。所有内燃机的改进将节约巨大的燃料资源。

8)非晶纳米金刚石涂膜可做金刚石场发射薄膜显示器：

非晶纳米金刚石涂膜场发射薄膜显示器是利用非晶纳米金刚石涂膜在小于6V的操作电压下，阴极即可与阳极产生场效应而发射电子束到萤光屏上形成相素，目前只有少数数国家在开发研究，都尚未成功。该材料的应用，看到了这种显示器成功的希望。

9)非晶纳米金刚石涂膜可做电磁发(弹)射器(电磁炮)的导轨炮管保护层：

电磁发射器俗称电磁炮，是靠电磁力将“炮弹”发射出去的新式武器，它的原理像直线电机一样，10多米长的两根平行铜导轨就像定子，橄榄核大小的球形弹丸就像转子，通电后转子在电磁力作用下被迅速弹出，出膛速度7马赫，发射6分钟后到达400公里外目标为5马赫，橄榄核大小的弹丸能击穿20毫米厚的钢板，与火药式武器相比有非常多的优点，但自在实验室出现后，经几十年研究未能达到使用阶段，原因是解决不了导轨炮管内绝缘保护材料摩擦寿命问题，急需一种有极好的绝缘性，又有极稳定的热膨胀性，对连续发射100-500次，能耐高速摩擦产生的1000-2000℃高温下的摩损，不产生变形、软化、开裂、粘连而仍能保持非常好的绝缘润滑性能，这些性能要求，非晶纳米金刚石涂膜都能满足，因此这种材料是电磁发射器导轨炮管保护材料的首选，使电磁炮的实际应用看到了希望，最近，这一弹射器又被利用在新型航母飞机起飞的电磁弹射装置上，所以它必将成为21世纪的主要军事装备。

10)非晶纳米金刚石颗粒是利用大功率、高温、纳米粉等离子成套喷涂设备喷涂成膜的，该设备输出功率为50KW，输出电流为500A，以N₂+H₂或Ar+H₂为介质气，等离子束温度高达8000℃，如改变介质气，再用外加磁场使等离子束聚焦，可提升温度达15000℃，该成套设备包括纳米粉悬浮器、内外径喷头，是专供陶瓷粉喷涂使用的，成膜厚度可控制在50nm-1mm，此工艺主要应用在光、电方面。还有以无机硅为粘接成膜剂，无气喷涂后焙烧成琉璃釉状涂层，主要应用在防弹板、耐摩润滑涂层、耐腐蚀涂层方面，涂层厚度一般在1mm左右。

Claims (1)

1. 凡使用大功率、高温、纳米粉等离子喷涂法或常温喷涂后焙烧成琉璃釉状涂层法，将非晶纳米金刚石颗粒加工成隐形涂层或导弹雷达罩、做耐高温涂层、耐低温涂层、防弹(防燃)涂层板、耐腐蚀涂层、耐磨损润滑涂层、做内燃发动机陶瓷汽缸涂层、用做纳米金刚石薄膜场发射显示器、做电磁发射(弹射)器导轨炮管内绝缘，耐高温，润滑保护涂层的10类应用都是非晶纳米金刚石涂膜的广泛用途。