提起金剛石，相信大多數人的腦海里便閃爍光芒，blingbling，閃閃發光。金剛石除了具有璀璨外表，它還具有最堅硬的特性。當今，金剛石以其優異的力學性能已在高端制造業如精密工具、耐磨零件、切削工具、光學元件涂層、電子產品配件加工、航空航天等工業領域有了廣泛應用，成為工業領域不可或缺的材料之一。

金剛石作為一種神秘而高貴的物質，有著孫悟空的72變。從材料質量上，金剛石可以從碎鉆到寶石級純凈晶透的華麗變身；從材料形態上，金剛石可以從微粉成長到大晶體；換句話說，金剛石正朝著微觀和宏觀雙向發展。那么，當金剛石形態縮小到納米級，又將會發生什么樣的質變？

納米金剛石

“納米”是當前材料學非常火熱的一個詞。什么是納米？納米，nanometer，即為毫微米，是長度的度量單位，國際單位制符號為nm。任何材料尺寸小到納米級別，其性質發生將發生飛躍。由于其優良的性能，納米材料及相關技術已越來越多地應用到電子、光學、催化、陶瓷、磁記錄材料、納米復合材料、藥物與生物技術等領域。

作為納米新材料的代表，納米金剛石，具有金剛石和納米材料的雙重特性，不僅具備金剛石的超高硬度、良好的化學穩定性和耐磨性等特性，還具備納米材料所通有的小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等多種特性，其熱、磁、光、電特性也不同于正常粒子，從而使其在機械加工、光學、生物學、醫學等領域有著廣泛的應用，已經成為當今世界的研究熱點之一。

納米金剛石的制備

碳相圖是合成納米金剛石的最重要的依據。如下圖所示，在高溫高壓條件下，石墨轉化為金剛石，需要遵守其生長與成核規律。

碳相圖

目前合成納米金剛石的方法主要有：高溫高壓法、溶劑熱法氣相沉積法、含能粒子輻照法及爆轟法等。

其中，爆轟法是最常用的方法，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制備方法（采用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。

爆轟法過程示意圖

（圖片來源：大賽璐株式會社）

金屬基復合材料

金屬基復合材料是以第二相為增強材料，金屬或合金為基體材料制備而成的復合材料。

特點：高比強度、高比模量、導電、導熱性能、熱膨脹系數小、尺寸穩定好、良好地高溫性能、耐磨性好、疲勞性能和斷裂韌度好、性能再現性及可加工性好、不吸潮、不老化、氣密性好。

增強體

目前，用于增強基復合材料的增強體形式主要有：顆粒體、纖維或者晶須、納米顆粒與納米管等；材料主要有金剛石、SiC、Al2O3、TiC、TiB2、BN、AlN、Si3N4、NbN、SiO2、VC、B4C、WC、ZrC、ZrB2、ZrO2、MgO、Mo2C、MoS2……

特性：

（1）能明顯提高金屬基某種所需特性的性能，如高的比強度、比模量、高導熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。

（2）良好地化學穩定性，在金屬基復合材料制備和使用過程中其組織結構和性能不發生明顯地變化和退化，與金屬基體有良好的化學相容性，不發生嚴重的界面反應。

（3）與金屬有良好地潤濕性，通過表面處理能與金屬基體良好潤濕、復合和分布均勻。

 納米金剛石顆粒如何增強鋼鐵基復合材料

鋼鐵又稱鐵碳合金，是工程技術中最重要、用量最大、應用最廣泛的金屬材料之一，存在于我們生活中的各個方面，使我們的生活更具有“科技含量”，對材料專家們來說，對鋼鐵性能提升的研究是一項近乎“無底洞”的事業。

金剛石顆粒增強鋼鐵基復合材料（金剛石超級納米鋼族）集超高硬度、超高強度、超級耐磨、超低摩擦系數、高沖擊韌性、高導熱、高性價比等眾多優點于一身。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；如果這一科研成果能夠工業化生產，這必將引發戰略基礎材料、戰略前沿材料、高端機械裝備制造、先進表面工程領域一場劃時代的革命性變革，中國基礎制造業的面貌必將為之一新，其巨大的技術經濟和社會效益當下還難以估量。

惠州碳之光材料科技有限公司，就是這么一家專注于提升鋼鐵材料性能的新材料企業，致力于從“納米”“復合”的組合優勢研發世界上尚未出現的高性能鋼鐵材料。這項顛覆世界的重大原創性發明使中國鋼鐵基納米復合材料及其工業化生產技術領跑全世界。

在經典金屬物理學中闡述的能夠以固態熱擴散滲入鋼鐵基體內的物質，通常只能是原子或離子尺度的物質不同。惠州碳之光以賈春德、楊樹桐、段占強為核心發明人的科研團隊首次顛覆性地發現：在特定條件下納米金剛石粒子可以高強度向鋼鐵基體內固態熱擴散。此發現，不僅僅是對擴散介質尺度和形態的擴展，也將引發并推動對傳統金屬物理擴散理論的深入思考和研究。在不斷的深入探索和研究中，賈春德教授團隊完成了兩項重大原創性發明。

第一，發明了用納米晶粒熱擴散制備具有超高機械物理性能的納米金剛石顆粒增強鋼鐵基復合材料。這一新技術和生產方式制備生產的新材大幅度提高了現有鋼鐵材料的性能，同時也改變著世界鋼鐵材料研發生產應用的格局。

第二，發明了低成本、高質量、大批量、工業化生產此種鋼鐵基納米復合材料的成套技術工藝。該團隊發明的熱擴散法和正在研究中的冶金法工業化大批量生產金剛石超級納米鋼的成套工藝，世界尚未有過，是復合材料制備生產技術革命性的探索和變革，部分解決了納米復合材料工業化生產的歷史難題，是突破前沿高科技材料產業化瓶頸技術重要嘗試。此成套工藝技術大大降低了高科技材料的生產成本，為該項技術和產品的推廣應用奠定了基礎，也使中國高性能納米鋼鐵復合材料躍居于世界之巔成為可預期的目標。

向鋼鐵機體內滲納米金剛石既可用于鋼鐵材料，同時也可用于鋼鐵機械零件表層、深表層金剛石納米重構改性，來大幅度提升其機械物理性能，這也是世界從未有過的重大發明創造之一。

(1)納米金剛石擴散進入鋼鐵 基體內微觀形貌(2)TEM下的納米金剛石形貌(3)金剛石的EDP花樣，證實擴散進入鋼鐵基體的是金剛石晶體而非碳和碳化物(4)擴散層SEM微觀組織形貌：納米金剛石顆粒增強、連續梯度的超細晶粒組織

從宏觀角度看，這將使全球200多種鋼鐵材料中的大部分得到較大幅度的性能提升，并由此創造出具有超高機械物理性能、具有納米復合結構的新鋼族。同時，應用金剛石超級納米鋼和機械零件金剛石納米重構技術，將有助于推動中國機械制造業整體技術水平的提升，尤其是推動高端裝備性能的提高。

基于此，DT新材料攜手中國超硬材料網特邀惠州碳之光材料科技有限公司首席科學家賈春德教授于11月26-29日，第四屆國際碳材料大會金剛石論壇，與您面對面交流，深入探討《納米金剛石顆粒增強鋼鐵基復合材料》，帶你領略中國機械制造業如何領先世界。 

公司介紹：惠州碳之光材料科技有限公司

金屬納米復合材料研究院是中國高校（華南）科技成果轉化中心與原沈陽理工大學校長、國家優秀留學歸國人員、機械工程與材料科學專家賈春德教授（惠州碳之光材料科技有限公司）共建的現代材料科學研究機構。

歷經十余載的努力奮斗，首次發現了金剛石納米粒子能以較高的強度向鋼鐵材料內熱擴散，此發現將金屬物理學中的熱擴散理論從擴散物質為原子或離子的微觀階段推進到納米粒子的介觀階段。此項重大發現直接導致了另一項重大原創性技術發明的誕生，即發明了具有超高機械物理性能的納米金剛石顆粒增強鋼鐵基復合材料（金剛石超級納米鋼）及其工業化批量生產的整套工藝技術。

該原創性技術發明用于鋼鐵行業，將在世界現有的250多種鋼鐵材料的基礎上，創立由200種以上新型超級金剛石納米鋼組成的新鋼族，推動著中國鋼鐵產業產品性能、品種落后于發達國家局面的改變；該發明用于機械行業，將全面大幅度提升中國高端重大機械裝備和關鍵機械基礎部件的性能，為中國機械工業、國防裝備制造業提供高性能鋼鐵復合材料和先進的工藝技術；該發明用于表面工程，可取代耐磨鍍鉻、等離子噴涂、高能束表面熔融和堆焊等工藝技術。該發明的經濟效益和社會效益之巨大當下還難以估量。

研究院實施以技術服務、技術入股、技術轉讓、技術推廣為內涵的“技術經營”策略，與企業結成推廣金剛石超級納米鋼的技術、產業聯盟。通過產學研相結合， 繼續深入展開鋼鐵基納米復合材料的熱擴散和熔煉工藝、先進機械裝備、先進機械基礎部件的研發和中試，最終將建成中國金剛石超級納米產業化示范基地。由研究院與鋼鐵企業、機械制造企業共同創立的國家級示范基地將建成年產值超1000億元的金剛石超級納米鋼高技術產業集群。

賈春德教授簡介

中國高校（華南）科技成果轉化中心技術納米復合材料研究院首席科學家、院長，惠州碳之光材料科技有限公司董事長、工學博士、教授；國家優秀留學歸國人員（加拿大The University of western Ontario 、德國Technische Universitat Darmstadt)；原沈陽理工大學校長、兵器工業部科技委委員、兵器工業摩擦與潤滑技術中心主任、遼寧省高速切削工程技術中心主任、遼寧兵工學會理事長。

機械工程領域：從事高速切削和CNC車銑技術和裝備研究，承擔、完成過國家計委、國家科委、總裝、兵器工業部下達的涉及兵器、航天、航海武器裝備研發制造領域內的重大攻關項目；專著“車銑原理”奠定了車銑運動學的基礎理論。材料科學與工程領域：從事磨損動態直接觀測研究，所發現的磨粒生成長大四階段被（國際材料學會學術委員會主任K.Ludema教授）評價為：半個世紀以來摩擦學理論研究最重要成果之一。在金屬復合材料研究中，首次發現納米粒子向鋼鐵機體內的高強度熱擴散，為金剛石顆粒增強鋼鐵基復合材料重大原創性技術發明的核心發明人之一、科研團隊負責人。

第四屆國際碳材料大會金剛石論壇

2019年11月26-29日

中國上海

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