類金剛石碳結構的動態化學制造方法、類金剛石碳結構及類金剛石碳結構的應用技術

為了以動態化學制造類金剛石碳結構，在密閉容器內加入混合碳相，用載能體使這種碳相進行化學反應，以便作為反應產物生成分散的凝聚態碳。這種反應產物經受原子氫輔助的低溫等離子體作用，實現碳向高純立方晶格結構的相變。用此方法可以得到具有約１００％純度的立方金剛石相的類金剛石碳結構。晶粒大小在５ｎｍ和５０ｎｍ之間的范圍內和簇大小的量級在５０ｎｍ和２０μｍ之間。分散體中的顆粒直徑在４０ｎｍ和５００ｎｍ之間。本發明專利技術碳結構適合用于硬質材料的表面處理，用作電絕緣體或用作傳熱介質。為此目的把類金剛石碳結構加入懸浮液、分散體、乳狀液、噴霧劑、膏劑、油脂、蠟或漆體系中。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及類金剛石碳結構的動態化學制造方法，在這些方法中，在密閉容器內加入混合碳相，并且用載能體使其進行化學反應，以便生成分散的凝聚態碳作為反應產物。本專利技術還涉及幾種類金剛石碳結構和這類碳結構的應用。分散的凝聚態碳是作為經相變的碳結構，尤其是在制造合成金剛石范圍內生成的。除了靜態催化的高溫高壓-、沖擊壓-、物理的(PVD)和化學的(CVD)以及其組合的方法外，還采用所謂的動態方法，這種動態方法建立在富含能量的材料和化合物的化學變化基礎上，并且導致生成六方晶形和立方晶形的碳結構，大部分以分散和超分散體系的形式出現。在高能量材料化學變化時，尤其伴有負氧平衡時，短時間發生的規律性，構成類金剛石碳結構動態化學制造的基礎。這些規律性主要在于，在這些材料化學反應時釋放的和以發生爐煤氣反應為特征的凝聚態碳經受這樣條件的作用，即可以發生進入較高結構化的晶格結構的相變。含碳載能體的化學反應一般通過具有負氧平衡的爆炸物實現，而且在密閉的高壓容器內在惰性氣氛中進行。在這時氣氛中的氧氣借助容器系統抽真空被徹底清除，以便通過各自在工作壓力下的特殊惰性氣體或其混合物實現惰性氣氛。這種惰性氣氛應該對較高結構化碳相的再石墨化起反作用。然而這些方法技術上和工藝上是極復雜和不經濟的。盡管在反應過程中提供超分散的凝聚態碳相，但以投入的反應材料及供體材料質量部分為基數，經濟上只有約8.0％到10.0％的各自制造的和期望的碳結構的極小的生成率。從而這類工藝與大規模生產工藝及廉價無緣。用這種方法制造的較高結構化的碳體系包含達40％的六方金剛石結構(劣質的Lonstelit)以及達30％X射線無定形相和剩余的立方金剛石部分，然而這部分的晶相純度為不再大于85％到95％。從而提供的是具有實際上不可確定的、其工業技術的可應用性在很大程度上受到限制的體系特性的、不同碳結構的機械混合物。此外這些材料構形在材料表面含有大量官能團和帶自由鍵的碳原子，它們導致難確定的表面極性，并從而使得與其它材料和物質相結合時需要的交聯過程變得困難甚至不可能。作為本專利技術基礎的任務是，開發一種用動態化學制造類金剛石碳結構的方法，這種方法可以實現經濟的生產同時有高的晶相純度。此外應該可以提供有確定特性的類金剛石結構，并提出對這類材料新應用的建議。在方法方面此項任務用下述類型方法解決，其中反應物經受原子氫輔助低溫等離子體作用，并實現碳組合向高純立方晶格結構的相變。結果令人驚喜，原子氫輔助低溫等離子體的使用導致高純度立方晶格結構的很高工藝產出率。特別是添加一種碳供體系統。這種碳供體系統主要有液態或氣態碳氫化合物，其中首先用有機碳氫化合物獲得特別好的工藝結果。作為本專利技術基礎的理論認識是，混合碳體系，優選是前述的與凝聚態的、在載能體的化學變化時形成的碳相結合的液態碳氫化合物，被引入到一種高能量和短時間的化學和熱力學的過程，使得一方面支持按化學計算量生成凝聚態碳，和另一方面可以從投入的載能體的化學反應中引發已經成形的或淀積的簇的共價，并可以最佳地在復合系統中實現。其中化學物理的形成過程在原子氫輔助低溫等離子體條件下，在存在nH≥9.12×1017時受到如下支持，即具有隨后雜化的電子促進作用主要不是按擴散機理而是按馬氏體機理進行。因此，有可能大規模在納米和微米尺度的晶粒范圍內、以及按新的突出特性的簇結晶和多晶結構來廉價生產類金剛石碳結構。這樣制造的類金剛石碳結構，技術上可以如此成型，使得它們構成用于制備較高結構化的碳體系如Fullerene、超級Fullerene、納米管、蔥頭形碳(OLC)等的原材料。此外本專利技術的對象是類金剛石的碳結構，其特征是立方金剛石晶相的純度在99％，優選在100％(NJC掃描1/X射線圖)。碳結構的晶粒大小在5nm和50nm之間范圍內(X-射線衍射)。已經達到50nm到20μm(掃描電鏡)的簇結晶量級，以及達到分散在40nm到500nm之間的顆粒直徑(光子相關譜)。不出現X射線無定形相。通過工藝的控制可以改變或者摻雜(cloning克隆)材料的各種參數比表面值、比磁化率、ζ電勢、電阻率、基于水蒸氣吸收的自由能等。以這種方式首先下列特征是可以控制的孔隙度和吸著性能，給出確定的交聯參數的特性，在親水和疏水設計中的表面極性，傳輸特性，電絕緣特性以及半導體特性等。為了硬和超硬材料表面的超級和最后精磨以及為了拋光，尤其是納米拋光，平面化和特魯瓦拋光，當前采用合成高硬度材料(金剛石立方氮化硼，金屬氧化物等)，這些材料基于其特性，尤其基于塊料等體積成型和與此緊密相關的在相應機械負荷下傾向于解理面形成保證了良好磨蝕性能。在實現當前日益增長的對表面高質量的要求方面，主要在納米領域，這些材料確實達到了技術可用性的極限。杜邦公司生產的MYPOLEX(通過外部爆炸合成制造)類型的多晶金剛石結構，與天然的和通常合成的工業金剛石相比有下列優點-不規則的表面幾何形狀，沒有明顯的解理面(“自鋒利顆粒”)，帶有側向微裂紋或散裂結構，-均勻保持的硬度特性和-大二至三倍的比表面。然而卻不能低于0.005μRa以及0.01μ極尖凹處(PTR)的范圍。除此之外Mypolex構形和其它金剛石高性能體系的工業使用是極昂貴，并且在一系列技術應用中不是最佳的而且達不到要求。然而所述專利技術的類金剛石碳結構卻可以通過動態化學混合工藝經濟有效地生產，并顯示很多特殊性能，使它與常規工業金剛石構形相比尤為突出。基于本專利技術類金剛石碳結構的特殊性能，尤其是形態和顆粒形狀以及比表面特性和平均ζ電勢的性能，在超硬材料表面可以達到Ra＝2nm到10nm的精磨值以及PTR＝0.5nm到2nm的極尖凹處。此外，可以達到每分鐘約0.3μm到5,0μm的拋光速度，這種速度有最佳的、不損傷的修平效果。附圖說明圖1至4示出氮化硅陶瓷預研磨表面的本專利技術納米拋光結果并與高效金剛石粒度相比較。圖1和2示出氮化硅陶瓷，它先被研磨，隨后用市售的金剛石懸浮液拋光。與此相反圖3和4示出在已研磨的氮化硅陶瓷上用水質陽離子、短鏈的類金剛石碳結構懸浮液實現的納米高質量最后拋光。此外，對于類金剛石碳結構，在硬質材料表面進行表面處理的有利應用其關鍵是，單個結晶的小扁豆形(卵形)的顆粒外形，以及保證晶體形成過程是從“下端”開始的合成過程。這就是說顆粒或相應的簇結晶構形長到確定的大小，而不是如當前流行的那樣，借助粉碎過程從較大顆粒結構粉碎得到，這種粉碎不可避免地導致較尖銳的輪廓，和導致形成相關聯的解理面同時降低抗壓強度。本專利技術類金剛石碳結構主要適用于下列處理方法-處理高強度陶瓷，寶石和用于微波和大功率電子技術的元件和組件的特種材料。這里最佳拋光速度在每分鐘0.3μm和5μm之間。-存儲盤金屬鍍層部件或金屬鏡面的精密拋光，-聚碳酸酯制成的組件或部件如眼鏡玻璃等的處理，-光學的，光電子學的和激光組件以及磁頭系統的處理，-矯形外科和牙齒修復假體的處理，-用于微鏜磨工具，微型和精密球軸承，-用于機械密封和滑動系統(其中如機械泵、閥門、氣缸、活塞、軸承、襯套以及成形沖頭表面)，-冶金學和結晶學制備，-聚丙烯元件和組件(例如飛機機艙用的窗戶等)以及接觸透鏡的處理，-借助滑動打磨(特魯瓦拋光)拋光復雜的、非平面的表面以及大功率和微電子技術元件的平面化。為了達到所追求本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制造類金剛石碳結構的動態化學方法，－在這種方法中在密閉容器內加入混合碳相并且－用載能體使其進行化學反應，以便生成分散的凝聚態碳作為反應產物，其特征在于，反應產物經受原子氫輔助低溫等離子體作用，并實現碳組合物向高純立方晶格 結構的相變。

【技術特征摘要】
DE 1999-6-18 19927893.8;DE 1999-6-18 19927894.6;DE1.一種用于制造類金剛石碳結構的動態化學方法，-在這種方法中在密閉容器內加入混合碳相并且-用載能體使其進行化學反應，以便生成分散的凝聚態碳作為反應產物，其特征在于，反應產物經受原子氫輔助低溫等離子體作用，并實現碳組合物向高純立方晶格結構的相變。2.按權利要求1的方法，其特征在于，附加地加入碳供體系統。3.按權利要求2的方法，其特征在于，碳供體系統具有液體或氣體碳氫化合物。4.按權利要求2或3的方法，其特征在于，碳供體系統具有有機碳化合物。5.一種類金剛石碳結構，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發人員：克里斯塔舍恩內菲爾德，T舍恩內菲爾德，
申請(專利權)人：卡爾波納諾及生物技術產品股份有限公司，
類型：發明
國別省市：DE[德國]