介绍自爆轰合成的发现ultradispersed钻石在1960年代,纳米金刚石的全部潜力还有待探索。爆轰合成产生~ 5纳米的纳米尺度的碳颗粒平均直径,以钻石核心由石墨层和无定形碳。yabo214金刚石颗粒的表面富含各种官能团,可以进一步的功能化。yabo214钻石核心的优越性质结合大型和化学可调表面允许他们使用在各种各样的方面:主要在前苏联的最初研究表明广泛的工业应用。这样的用途包括化学和电化学共沉积金属,ultradispersed diamond-polymer复合材料,抛光,润滑,和生物医学应用。 商业、电镀和润滑剂添加剂目前显示最高的潜力。仍然没有接受意见关于涂层性能的机制改进的金刚石颗粒沉积浴。yabo214两个替代目前正在考虑。一个解释改善夹杂物的金刚石涂层的结构;其他表明金刚石提高沉积条件导致减少柱状结构和涂层的孔隙度。 增加金刚石镀涂层尤为重要的镍基涂层将替换当前使用的Cr-containing涂料,需要有毒化学物质的生产。Ni-B涂料已被证明特别好。涂上Ni-B时,残余气孔在不锈钢或其他金属成为填补,导致界面的力学性能的改善。涂料还减少腐蚀,增加耐磨性比钢衬底。然而,当Cr涂料相比,Ni-B涂料特性降低力学性能和耐磨性,同时由于柱状结构。之前的结果表明,纳米金刚石添加剂可以提高镍基涂层的硬度的2 - 3倍。分散的纳米金刚石添加到沉积浴已经经验显示,进一步增加Ni-B涂层的摩擦学性能。但是,金刚石中观察到的现象的作用仍不清楚。 本研究的目的是调查的结构和力学性能Ni-B镀涂层有或没有金刚石添加剂沉积浴获得更好的洞察Ni-B沉积过程中金刚石的角色。 实验Ni-B涂料被沉积在四钢板通过化学沉积与含金刚石纳米颗粒由NanoBlox Inc .(美国),没有钻石添加剂(表1)。金刚石纳米颗粒的结构形成的胶体溶液沉积浴,其他地方描述。yabo214为进一步研究横断面标本被从盘子,安装在thermal-setting塑料和地面使用碳化硅纸和抛光使用0.05μm氧化铝粉末分散在抛光布。 表1。本研究中使用的样本的描述及其力学性能取决于nanoindentation。
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美联社 |
As-plated没有* * |
120±29 * |
7±2 |
AP-ND |
与ND As-plated |
164±7 |
9±0.5 |
HT |
据美联社热处理样品在90分钟的385°C |
133±14 |
11±0.7 |
HT-ND |
样本AP-ND热处理90分钟的385°C |
254±6 |
10±1.6 |
* -标准差
* * - ND代表金刚石
机械性能测量通过depth-sensing使用纳米压痕硬度计压头XP (MTS)。缩进都是使用一下执行深度2μm提示。硬度和模计算不断在整个加载使用连续刚度测量(CSM)选项对所有缩进四个Ni-B样本。 拉曼光谱记录来确定样品中存在的钻石。研究了每个样本在多个点使用英国1000拉曼光谱仪的Ar +激光激发波长为514.5海里。 扫描电子显微镜使用范XL30场发射扫描电镜和x射线能量色散谱(EDS)进行的形态学检查涂料和查看剩余缩进的印象。 GiegerFlex D / Max-B衍射仪(Rigaku) CuKα辐射用于执行XRD研究来确定样品的相组成。 结果XRD谱(图1)证实,as-plated样本美联社和AP-ND (ND代表金刚石)x射线非晶态。一个广泛的中心接近峰值的位置主要衍射峰Ni2B Ni3B,对应于非晶态Ni-B(图1 A, b)。XRD也表明热处理样品HT和HT-ND水晶展示镍硼化的窄峰(图1 c, d)。此外,XRD模式表明,尽管样本HT和HT-ND结晶退火后,HT-ND仍然含有大量的非晶态材料如图所示的光环和细粒镍硼化用更广泛的山峰发现在这个示例。较高的热处理温度或延长治疗时间可能需要完全结晶的涂料生产的金刚石的存在。简要描述主要的组成和应用价值Ni2B峰值归纳如表2所示。虽然XRD允许我们确定镍硼化阶段,它不提供信息存在的金刚石样品。金刚石粉的XRD谱图1所示的e峰发现的不符合任何其他样品。这表明,金刚石必须低于如果结合XRD检测极限。 
图1所示。XRD谱为研究样本(样本的描述见表1)。 表2。由XRD的组成样本。水晶样品,计算的应用(2 1 1)Ni2B峰值为45.9˚(d = 1.9757)。对于非晶样品,显示了非晶峰计算的半最大值宽度。
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美联社 |
非晶态Ni-B |
7.5 |
HT |
水晶倪2B,倪3B |
0.42 |
AP-ND |
非晶态Ni-B |
8.4 |
HT-ND |
水晶倪2B,倪3B |
1.27 |
的形态和结构涂层被扫描电镜研究。SEM图像的横截面样品AP-ND清楚地显示了树突,揭示了典型柱状生长机制的Ni-B涂料(图2)。这些列被认为是无定形,XRD的建议。当比较样本美联社的列大小和样本AP-ND两个差异观察(图2 b, c)。列是小样本的平均宽度比不含纳米金刚石。树突的平均宽度被发现μm 0.8±0.1, 0.6±0.05μm美联社和AP-ND样品,分别。此外,添加金刚石导致直列用更少的分支和武器。 
图2。(a)的柱状微结构as-plated AP-ND,样本从diamond-containing浴沉积。Insets显示样品的微观结构:(b)示例没有金刚石沉积添加剂,美联社,和(c)样例与金刚石沉积,AP-ND。 背散射扫描电镜的图像样本HT和HT-ND表明,发达的柱状结构明显减少的无定形材料热处理后转化为结晶颗粒(图3)。在HT样本的情况下,一些地区仍然柱状或非晶态而其他领域,特别是在地表附近转变成水晶等轴的谷物。这对样本HT-ND并非如此,表明添加金刚石抑制晶粒成核和生长。 
图3。比较热处理样品的微观结构。(a)示例没有金刚石沉积添加剂,HT,和(b)样例与金刚石沉积,HT-ND。 缩进为样本研究结果如表1所示。载荷与位移曲线对所有样品图4所示。热处理Ni-B涂料增加硬度。这可以解释为非晶态的转变as-deposited涂料困难水晶Ni3B和Ni2B阶段经XRD(图1)。添加金刚石也引发了硬度的因素类似,通过退火,导致一个小模数的增加。热处理的样品与金刚石沉积添加剂的浴不进一步增加硬度,但也增加了模量的两倍。这些测量属性在赞同载荷与位移曲线(图4)显示所需的负载的增加与热处理或添加金刚石。因此,这类涂料适合提高模量和硬度或提高硬度,无需热处理。热处理和添加金刚石不导致硬度比进一步提高样本HT AP-ND或样本。这可以解释为样本HT-ND仍然包含非晶材料的微观结构(图1 d)。如果样品可以以这样一种方式处理形成小晶体颗粒的纳米金刚石,额外的硬化是可能实现的。 
图4。代表压痕载荷与位移曲线的测试样本。 特写图像每个样本的一个典型的缩进是图5所示。裂缝出现在样例HT被发现在许多缩进样本,表明脆性破坏。因为没有突然出现的事件可以在载荷与位移曲线对于此示例,我们可以推测这个小裂缝不会影响到压痕测量的准确性。尽管nanoindentation没有提供定量信息材料的韧性,这张照片表明,样本可能更加脆弱,这将意味着增加金刚石可能也增加了涂层的韧性。这将同意Hall-Petch关系,考虑添加金刚石被证明减少意味着树突AP-ND样本的大小。缩进的形状样本AP-ND显示样本相比更弹性回复美联社。这个弹性回复是用更凹残留的印象。样本美联社相比更有弹性复苏HT-ND也观察到的样本。这个示例显示了最高的韧性堆积建议改善了涂层的延展性的金刚石浴。这些发现是在协议与数据表1所示。HT-ND示例显示了一个令人惊讶的是更高的模量比其他涂料和几乎两倍样品HT的价值。 Combination of high modulus with a high ductility is quite unique and very important for potential applications. 
图5。SEM图像样本的缩进。(a) as-plated样本美联社,(b)退火样品HT, (c) as-plated示例AP-ND和(d)退火HT-ND示例。 EDS映射进行确定和钻石所在的涂层。总结这些研究结果如图6所示。尽管一些碳检测,没有可以看到碳位置和微观结构之间的相关性。通常,金刚石粉末与5纳米粒子形成团聚体从几十到几百纳米大小的沉积浴。yabo214因此,如果钻石被纳入涂料,我们希望看到这些团聚体。碳的形式既没有发现大的团聚体,它似乎也没有沿着晶界聚集。拉曼的研究样本含金刚石沉积显示没有金刚石的特性,因此重要的机械性能的变化不能解释公司的金刚石涂层的结构。我们估计,因为无论是拉曼光谱、XRD、EDS显示钻石的存在,即使现在应该是在一个浓度小于1 wt %。力学性能无明显影响。通过使用混合的规则,我们无法解释观察到的样本之间的差异系数据美联社和AP-ND 1 wt %。 or less of diamond. Incorporation in the amount of at least several percent would be required to explain the observed increased hardness and modulus after deposition and this amount of diamond could be easily detected by the techniques used. Thus, the increase in mechanical properties is not a result of composite diamond/metal coating formation. Recent work has shown that nanodiamond accumulates on the surface of the Ni coatings, influencing its growth and structure. We assume a similar behavior in our Ni-B system. This assumption agrees with the latest report where nanodiamond additives did not incorporate into the coating. Diamond also did not react with the metal matrix even when used in carbide forming metals. The fact that after adding nanodiamond the deposition bath could be used for months without replenishing and without a loss in the properties of the coating supports the fact that diamond is very slowly consumed in the deposition process. 
图6。x射线as-plated样本的一个区域的地图,包含浴AP-ND,沉积的钻石。(a)的原始图像比例尺对所有图像,(b)的地图氧气,(c)镍的地图,地图(d)的碳。没有种族隔离氧气或碳可以看到沿着晶界。 结论•金刚石沉积浴添加剂可以提高硬度、模量、和延性的化学沉积Ni-B涂料。添加剂提高了涂料的硬度,但不退火一样有效。 •硬化机制似乎是相关细化枝晶尺寸的金刚石的除了入浴。 •热处理的样品存放diamond-containing沉积浴没有导致硬度除此之外的热处理diamond-less样品因为添加金刚石浴导致晶粒形成的抑制,从而导致更多的无定形材料和更小的颗粒。 •从浴热处理Ni-B涂料沉积金刚石添加剂提高了模量和延性。这可以解释为生产的精密结构涂层金刚石的存在。 确认由于博士g . Yushin李振国Cambaz, p·罗西,d . Mattia r, s . Amini博士d Filimonov实验帮助和有益的讨论。NanoBlox提供的样本,Inc .研究预防材料表征设备A.J.德雷克塞尔纳米技术研究所和实验室研究物质的结构(LRSM)宾夕法尼亚大学亚博网站下载。这项工作被Nanoblox支持。A.J. Gurga由NSF IGERT支持格兰特dge - 0221664。 引用1。Shenderova, o . & McGuire, G。纳米材料手册亚博网站下载(ed。Gogotsi y) (CRC出版社,纽约,2006)。 2。Yushin g . N。、Osswald进行年代。、Padalko诉我。、Bogatyreva g p & Gogotsi Y。烧结对金刚石结构的影响”,钻石和相关材料,(14),1721 - 1729年,2005年。亚博网站下载 3所示。Dolmatov, V。“爆轰合成Ultradispersed钻石:属性和应用程序”,俄罗斯化学审查,(70),607 - 626年,2001年。 4所示。王,L。、高、Y。、雪问。刘,H。徐,T。”,Nano-diamond粒子对结构的影响和Ni-mayabo214tix纳米复合材料涂层的摩擦学的属性”,材料科学与工程,313 - 318 (309),2004。亚博网站下载亚博老虎机网登录 5。恩格尔,P。施瓦兹,g . &狼g·K。描述:“氮化铬电影由ion-beam-assisted沉积”,表面和涂层技术,(112),286 - 290年,1999年。 6。Krishnaveni, K。Narayanan商羯罗,t . s . n . &瑟哈德里美国K。“电镀Ni-B涂料:形成和评价的硬度和耐磨性,材料化学和物理,(在出版社,纠正证据)。亚博网站下载 7所示。Ozkan Gulsoy, H。”,添加硼化镍烧结行为的影响注塑节PH不锈钢粉”,Scripta Materialia,(52), 187 - 192年,2005年。 8。侯,F。王,w . &郭,H。”效应在Ni-ZrO锆可分散性的纳米颗粒yabo2142电镀纳米复合涂料力学性能的纳米复合材料涂料”,应用表面科学,(252),3812 - 3817年,2006年。亚博老虎机网登录 9。Burkat g·K。》,T。、Dolmatov诉Y。奥尔,e·a·& Veretennikova m V。“制备复合电化学nickel-diamond和iron-diamond涂料在爆轰合成纳米金刚石的存在”,钻石和相关材料,(14),1761 - 1764年,2005年。亚博网站下载 10。Dolmatov, V。爆轰合成,Ultradisperse钻石:生产、性能及应用(圣彼得堡国家工业大学(俄罗斯),2003)。 11。Osswald进行S。Yushin, g . N。Mochalin, V。,美国& Gogotsi Kucheyev Y。,“控制sp2和sp3碳比和表面化学选择性氧化纳米金刚石粉的空气”,美国化学学会杂志》上的(在出版社,纠正证据)。 12。Ibanez说,a .塔斯& E。”,电镀铜的机械和结构性质及其与沉积参数”的,表面和涂层技术,(191),7 - 16,2005年。 13。彼得罗夫,et al .,“镍电镀涂层Codeposited分数的爆轰金刚石”,钻石和相关材料,(在出版社,纠正证据)。亚博网站下载 14。Aleksensky, a . e . et al .,“纳米金刚石与金属间:结构和diamond-graphite相变”,钻石和相关材料,(13),2076 - 2080年,2004年。亚博网站下载 15。Andreyev, M。Anishchik, V。Markova l . &库兹涅佐娃,T。,“基于镍和铬的离子束涂料ultradispersed钻石——结构和性能,真空,(78),451 - 454年,2005年。 详细联系方式 |