未來可期:深度解析納米金剛石未來應用前景

鑽石在人們的腦海裡第一印象是光彩照人，閃耀光芒，如果它的尺寸不斷縮小至碎小顆粒，乃至微米，納米級別，您還能認得出來麼？

納米金剛石，不起眼的外表，卻擁有強大，多功能的內涵。

首先，我們先來談談納米技術。毫不誇張的說，21世紀是納米世紀，納米技術的發展其深遠意義堪與18世紀的工業革命相媲美。任何材料尺寸小到納米級別，其性質發生將發生飛躍。由於納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所佔比例大等特點，以及其特有的四大效應：小尺寸效應、量子尺寸效應、量子隧道效應和表面效應，從而具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性。

納米金剛石，就是其中一大典型材料，不僅具有金剛石所固有的高硬度、高硬度、高耐腐蝕性、高熱導率等傳統性質，還具有納米材料特有的個性。

目前，納米金剛石主要製備方法有靜壓合成、金剛石單晶粉磨、爆轟法三種，且已應用於工業化生產。

爆轟法合成納米金剛石生產效率相對較高，與其他合成方式相比，個性顯然更鮮明，更適應現代工業生產，通常是以炸藥為前軀體的製備方法（採用TNT和RDX炸藥為原料），即在爆轟瞬間的高溫高壓條件下，利用負氧平衡炸藥在爆轟時沒有被氧化的碳原子，經過聚集、晶化等一系列物理化學過程，形成納米尺度的碳顆粒集團，其中包括金剛石相、石墨相和無定形碳。用氧化劑除去非金剛石的碳相，就得到納米金剛石，其回收率約為所用炸藥質量的8~10%，金剛石顆粒粒徑為5~10nm，經過化學提純可得到純度約95~97%。

材料的結構、性質決定其用途。

納米金剛石性能的應用可分為表面和核兩部分，表面性能主要利用它的納米微粒性能，即顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所佔比例大以及其特有的四大效應：小尺寸效應、量子尺寸效應、量子隧道效應和表面效應。核的性能則主要利用金剛石的超硬材料性能，半導體餘導熱散熱特性，寬電位……

因此，納米金剛石具有廣泛應用。目前，納米金剛石主要用於以下幾個方面：

(1) 爆轟合成的超微金剛石CVD法用於製備金剛石薄膜；

(2) 超微金剛石用於化學複合鍍研究；

(3) 用於潤滑油、固體潤滑劑和潤滑冷卻液；

(4) 燒結體；

(5) 用於紅外、微波吸收材料的可能性：

(6) 納米金剛石用於磁性錄音系統；

(7) 用於隱身材料催化方面；

(8) 將納米金剛石添加在橡膠、聚合物中，可改善其性能；

(9) 將納米金剛石添加到炸藥中，可提高炸藥的爆炸威力；

(11) 將納米金剛石添加到燃料油中．可提高燃油的分散度和燃燒值。

(12)納米金剛石電池

(13)納米金剛石在生物醫療中的應用

(14)納米金剛石在環保領域應用

(15)超精密拋光

(16)發電儲能

超精密拋光——現代電子工業中所要完成的使命

隨著5G通訊時代的到來，電子元件向著大規模、高集成、大功率、小尺寸的方向不斷深入，超精密拋光工藝在現代製造業至關重要。超精密拋光技術在現代電子工業中所要完成的使命，不僅僅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多層材料，使得幾毫米見方的矽片通過這種『全局平坦化』形成上萬至百萬電晶體組成的超大規模集成電路。同時也被廣泛應用於集成電路製造、醫療器械、汽車配件、數碼配件、精密模具、航空航天領域。這足以說明超精密拋光工藝，是「技術靈魂」，被列為卡脖子技術清單中，美日牢牢把握了全球市場的主動權，如何突破這一技術，材料也是關鍵！

過硬鋼材——卡脖子技術難題

無論是航空鋼材還是高端軸承鋼，都是中國製造業短板，是卡脖子技術難題。作為工業製造中不可或缺發核心，如何補齊的中國製造業短板，過硬的鋼材是關鍵！

金剛石顆粒增強鋼鐵基複合材料（金剛石超級納米鋼族）集超高硬度、超高強度、超級耐磨、超低摩擦係數、高衝擊韌性、高導熱、高性價比等眾多優點於一身。如果能夠通過一定的實驗條件將納米顆粒的金剛石擴散滲入鋼材內部，將會對其微觀結構和力學性能產生巨大影響。這一科研成果如果能夠工業化大批量生產，這必將引發戰略基礎材料、戰略前沿材料、高端機械裝備製造、先進表面工程領域一場劃時代的革命性變革，中國基礎製造業的面貌必將為之一新！

納米醫學——現代醫學重要發展方向

2020年，疫情大爆發，人們對於生命認知與感悟加強，對健康與醫療技術的要求不斷提高。

納米醫學已經成為現代醫療的一個重要發展方向。目前，納米技術已經成功地用於各種疾病的檢測與治療，美國FDA也已經批准了超過60種含有納米材料的藥品申請。在醫療領域，「早發現，早治療」已經成為一個醫學常識，但傳統檢測技術的檢測精度和準確度都難以達到「早發現」的目的。因此，在檢測和診斷疾病方面，眾多醫療創新公司將目光轉向納米技術。

納米金剛石一直備受關注，託大的比表面積、表面多官能團等性質，通過親水／疏水作用、靜電力等實現對小分子以及大的生物分子的吸附，在生物醫療領域具有重要發展意義。近年來，科學家們也積極地利用納米金剛石顆粒獨特的惰性、生物相容性和根據需求很容易實現功能工程化設計的特性於醫藥領域中，包括載藥、標記、蛋白質分離、抗癌治療、殺菌等方面 。

儲能環保——可持續發展的重要戰略

儲能是國家重點布局的一大戰略。在儲能領域，鑽石也能大放異彩。近期，美國加州NDB公司宣布研發的可續航長達2.8萬年的納米金剛石，這完全顛覆能量方程式！而且如果電池的一部分出現故障，活性納米金剛石部分可以回收到另一個電池中重新使用。這也意味著，這一發明有可能解決全球主要的碳排放問題！發電開始進入「鑽石時代」！

另外，納米金剛石薄膜具有優良的場發射性能，其場發射強度要高很多。這是由於納米金剛石薄膜具有較小的晶粒尺寸，閾值電壓較低，很容易從薄膜內發射電子。納米金剛石薄膜的冷陰極場發射性能遠比微米金剛石薄膜優異，用做製備場發射器件，不僅高效而且能大大降低製作成本和能耗。綜合來看，納米金剛石薄膜有潛力成為製備下一代平面顯示器的重要材料。

納米金剛石具有優異的電學性能、熱導率高、禁帶寬度寬、高的載流子遷移率使得其在半導體領域內的應用具有極大地潛力。

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納米金剛石的性能優異，應用範圍很廣，到目前為止，很多領域的應用都還處於起步階段，短期內不能被大範圍的推廣使用。但我們相信材料將改變生活，納米金剛石的未來值得每一個人的期待。

基於此，11月17-20日，Carbontech 2020 金剛石論壇將於上海跨國採購會展中心舉辦。論壇將重點關注金剛石在健康醫療，生態環保，半導體器件，導熱散熱，珠寶首飾等創新應用，邀請全球行業巨頭、頂尖科研團隊、學術代表及企業代表共同參會，進行科研學術交流的同時，促進行業繁榮發展。

參考議題

Carbontech2020

第五屆國際碳材料大會暨產業展覽會

金剛石論壇

王僑婷

Luna

（international）