类金刚石碳结构的动态化学制造方法、类金刚石碳结构及类金刚石碳结构的应用技术

为了以动态化学制造类金刚石碳结构，在密闭容器内加入混合碳相，用载能体使这种碳相进行化学反应，以便作为反应产物生成分散的凝聚态碳。这种反应产物经受原子氢辅助的低温等离子体作用，实现碳向高纯立方晶格结构的相变。用此方法可以得到具有约１００％纯度的立方金刚石相的类金刚石碳结构。晶粒大小在５ｎｍ和５０ｎｍ之间的范围内和簇大小的量级在５０ｎｍ和２０μｍ之间。分散体中的颗粒直径在４０ｎｍ和５００ｎｍ之间。本发明专利技术碳结构适合用于硬质材料的表面处理，用作电绝缘体或用作传热介质。为此目的把类金刚石碳结构加入悬浮液、分散体、乳状液、喷雾剂、膏剂、油脂、蜡或漆体系中。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及类金刚石碳结构的动态化学制造方法，在这些方法中，在密闭容器内加入混合碳相，并且用载能体使其进行化学反应，以便生成分散的凝聚态碳作为反应产物。本专利技术还涉及几种类金刚石碳结构和这类碳结构的应用。分散的凝聚态碳是作为经相变的碳结构，尤其是在制造合成金刚石范围内生成的。除了静态催化的高温高压-、冲击压-、物理的(PVD)和化学的(CVD)以及其组合的方法外，还采用所谓的动态方法，这种动态方法建立在富含能量的材料和化合物的化学变化基础上，并且导致生成六方晶形和立方晶形的碳结构，大部分以分散和超分散体系的形式出现。在高能量材料化学变化时，尤其伴有负氧平衡时，短时间发生的规律性，构成类金刚石碳结构动态化学制造的基础。这些规律性主要在于，在这些材料化学反应时释放的和以发生炉煤气反应为特征的凝聚态碳经受这样条件的作用，即可以发生进入较高结构化的晶格结构的相变。含碳载能体的化学反应一般通过具有负氧平衡的爆炸物实现，而且在密闭的高压容器内在惰性气氛中进行。在这时气氛中的氧气借助容器系统抽真空被彻底清除，以便通过各自在工作压力下的特殊惰性气体或其混合物实现惰性气氛。这种惰性气氛应该对较高结构化碳相的再石墨化起反作用。然而这些方法技术上和工艺上是极复杂和不经济的。尽管在反应过程中提供超分散的凝聚态碳相，但以投入的反应材料及供体材料质量部分为基数，经济上只有约8.0％到10.0％的各自制造的和期望的碳结构的极小的生成率。从而这类工艺与大规模生产工艺及廉价无缘。用这种方法制造的较高结构化的碳体系包含达40％的六方金刚石结构(劣质的Lonstelit)以及达30％X射线无定形相和剩余的立方金刚石部分，然而这部分的晶相纯度为不再大于85％到95％。从而提供的是具有实际上不可确定的、其工业技术的可应用性在很大程度上受到限制的体系特性的、不同碳结构的机械混合物。此外这些材料构形在材料表面含有大量官能团和带自由键的碳原子，它们导致难确定的表面极性，并从而使得与其它材料和物质相结合时需要的交联过程变得困难甚至不可能。作为本专利技术基础的任务是，开发一种用动态化学制造类金刚石碳结构的方法，这种方法可以实现经济的生产同时有高的晶相纯度。此外应该可以提供有确定特性的类金刚石结构，并提出对这类材料新应用的建议。在方法方面此项任务用下述类型方法解决，其中反应物经受原子氢辅助低温等离子体作用，并实现碳组合向高纯立方晶格结构的相变。结果令人惊喜，原子氢辅助低温等离子体的使用导致高纯度立方晶格结构的很高工艺产出率。特别是添加一种碳供体系统。这种碳供体系统主要有液态或气态碳氢化合物，其中首先用有机碳氢化合物获得特别好的工艺结果。作为本专利技术基础的理论认识是，混合碳体系，优选是前述的与凝聚态的、在载能体的化学变化时形成的碳相结合的液态碳氢化合物，被引入到一种高能量和短时间的化学和热力学的过程，使得一方面支持按化学计算量生成凝聚态碳，和另一方面可以从投入的载能体的化学反应中引发已经成形的或淀积的簇的共价，并可以最佳地在复合系统中实现。其中化学物理的形成过程在原子氢辅助低温等离子体条件下，在存在nH≥9.12×1017时受到如下支持，即具有随后杂化的电子促进作用主要不是按扩散机理而是按马氏体机理进行。因此，有可能大规模在纳米和微米尺度的晶粒范围内、以及按新的突出特性的簇结晶和多晶结构来廉价生产类金刚石碳结构。这样制造的类金刚石碳结构，技术上可以如此成型，使得它们构成用于制备较高结构化的碳体系如Fullerene、超级Fullerene、纳米管、葱头形碳(OLC)等的原材料。此外本专利技术的对象是类金刚石的碳结构，其特征是立方金刚石晶相的纯度在99％，优选在100％(NJC扫描1/X射线图)。碳结构的晶粒大小在5nm和50nm之间范围内(X-射线衍射)。已经达到50nm到20μm(扫描电镜)的簇结晶量级，以及达到分散在40nm到500nm之间的颗粒直径(光子相关谱)。不出现X射线无定形相。通过工艺的控制可以改变或者掺杂(cloning克隆)材料的各种参数比表面值、比磁化率、ζ电势、电阻率、基于水蒸气吸收的自由能等。以这种方式首先下列特征是可以控制的孔隙度和吸着性能，给出确定的交联参数的特性，在亲水和疏水设计中的表面极性，传输特性，电绝缘特性以及半导体特性等。为了硬和超硬材料表面的超级和最后精磨以及为了抛光，尤其是纳米抛光，平面化和特鲁瓦抛光，当前采用合成高硬度材料(金刚石立方氮化硼，金属氧化物等)，这些材料基于其特性，尤其基于块料等体积成型和与此紧密相关的在相应机械负荷下倾向于解理面形成保证了良好磨蚀性能。在实现当前日益增长的对表面高质量的要求方面，主要在纳米领域，这些材料确实达到了技术可用性的极限。杜邦公司生产的MYPOLEX(通过外部爆炸合成制造)类型的多晶金刚石结构，与天然的和通常合成的工业金刚石相比有下列优点-不规则的表面几何形状，没有明显的解理面(“自锋利颗粒”)，带有侧向微裂纹或散裂结构，-均匀保持的硬度特性和-大二至三倍的比表面。然而却不能低于0.005μRa以及0.01μ极尖凹处(PTR)的范围。除此之外Mypolex构形和其它金刚石高性能体系的工业使用是极昂贵，并且在一系列技术应用中不是最佳的而且达不到要求。然而所述专利技术的类金刚石碳结构却可以通过动态化学混合工艺经济有效地生产，并显示很多特殊性能，使它与常规工业金刚石构形相比尤为突出。基于本专利技术类金刚石碳结构的特殊性能，尤其是形态和颗粒形状以及比表面特性和平均ζ电势的性能，在超硬材料表面可以达到Ra＝2nm到10nm的精磨值以及PTR＝0.5nm到2nm的极尖凹处。此外，可以达到每分钟约0.3μm到5,0μm的抛光速度，这种速度有最佳的、不损伤的修平效果。附图说明图1至4示出氮化硅陶瓷预研磨表面的本专利技术纳米抛光结果并与高效金刚石粒度相比较。图1和2示出氮化硅陶瓷，它先被研磨，随后用市售的金刚石悬浮液抛光。与此相反图3和4示出在已研磨的氮化硅陶瓷上用水质阳离子、短链的类金刚石碳结构悬浮液实现的纳米高质量最后抛光。此外，对于类金刚石碳结构，在硬质材料表面进行表面处理的有利应用其关键是，单个结晶的小扁豆形(卵形)的颗粒外形，以及保证晶体形成过程是从“下端”开始的合成过程。这就是说颗粒或相应的簇结晶构形长到确定的大小，而不是如当前流行的那样，借助粉碎过程从较大颗粒结构粉碎得到，这种粉碎不可避免地导致较尖锐的轮廓，和导致形成相关联的解理面同时降低抗压强度。本专利技术类金刚石碳结构主要适用于下列处理方法-处理高强度陶瓷，宝石和用于微波和大功率电子技术的元件和组件的特种材料。这里最佳抛光速度在每分钟0.3μm和5μm之间。-存储盘金属镀层部件或金属镜面的精密抛光，-聚碳酸酯制成的组件或部件如眼镜玻璃等的处理，-光学的，光电子学的和激光组件以及磁头系统的处理，-矫形外科和牙齿修复假体的处理，-用于微镗磨工具，微型和精密球轴承，-用于机械密封和滑动系统(其中如机械泵、阀门、气缸、活塞、轴承、衬套以及成形冲头表面)，-冶金学和结晶学制备，-聚丙烯元件和组件(例如飞机机舱用的窗户等)以及接触透镜的处理，-借助滑动打磨(特鲁瓦抛光)抛光复杂的、非平面的表面以及大功率和微电子技术元件的平面化。为了达到所追求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造类金刚石碳结构的动态化学方法，－在这种方法中在密闭容器内加入混合碳相并且－用载能体使其进行化学反应，以便生成分散的凝聚态碳作为反应产物，其特征在于，反应产物经受原子氢辅助低温等离子体作用，并实现碳组合物向高纯立方晶格 结构的相变。

【技术特征摘要】
DE 1999-6-18 19927893.8;DE 1999-6-18 19927894.6;DE1.一种用于制造类金刚石碳结构的动态化学方法，-在这种方法中在密闭容器内加入混合碳相并且-用载能体使其进行化学反应，以便生成分散的凝聚态碳作为反应产物，其特征在于，反应产物经受原子氢辅助低温等离子体作用，并实现碳组合物向高纯立方晶格结构的相变。2.按权利要求1的方法，其特征在于，附加地加入碳供体系统。3.按权利要求2的方法，其特征在于，碳供体系统具有液体或气体碳氢化合物。4.按权利要求2或3的方法，其特征在于，碳供体系统具有有机碳化合物。5.一种类金刚石碳结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯塔舍恩内菲尔德，T舍恩内菲尔德，
申请(专利权)人：卡尔波纳诺及生物技术产品股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]