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，卷:16(2)DOI: 10.21767/0972-768X.1000262

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纳米金刚石的合成、表征及其在SiO2衬底上的抗抛光应用

*通信:

Kharat一伊朗德黑兰，德黑兰大学理学院Alborz校区电话:+ 98 - 2161112499;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

本研究对纳米金刚石粒子进行了合成、纯化和表征。然后对纳米金刚石表面进行氧化，形成均匀的COOH基团层。最后，在SiO2衬底上沉积了功能化粒子，并对其抗抛光性能进行了研究。用FT-TR、TGA、TEM和SEM对产物进行了表征。

关键字

应用研究;表面改性;SiO2-based衬底

简介

金刚石结构紧凑，是很好的绝缘材料。任何杂质的存在都能显著改变电子水平[1-3.］．金刚石的一个突出特点是导热系数高，几乎是铜导热系数的5倍[4］．钻石的其他物理特性是高杨氏模量，高拉伸应力，低摩擦系数和熔化温度约为4000℃[5］．此外，金刚石具有很高的化学稳定性，它不能与大多数酸和碱发生反应[6］．

钻石是长时间在高压下自然形成的。纳米金刚石的制备方法是，用缺氧炸药进行爆炸，使氧气不能氧化炸药中的所有其他元素(C、H和N)。当这种炸药被引爆时，释放出来的自由碳原子在爆轰反应产生的高温高压条件下凝固重排，形成纳米级金刚石晶体。在1980年代中期，一些高能炸药在惰性气体中引爆后，在爆炸残渣中发现了纳米级金刚石[7，8］．纳米金刚石颗粒因其化学惰性、可调谐的表面结构和相对较小和狭窄的尺寸分布而广为人知。这些纳米颗粒具有独特的机械、电子和热性能。需要注意的是，纳米金刚石颗粒可以通过表面修饰以适当的官能团来稳定，以防止它们进一步团聚[9-13］．

目前研究的目的是先对纳米金刚石进行功能化，防止团聚，然后在SiO表面进行涂层处理₂镜片。SiO₂底物在化学上是中性的，不发生反应。涂覆SiO后₂基板采用纳米金刚石，光学性能应保持完整。SiO纳米金刚石涂层₂纳米金刚石的硬度、不影响透镜光学性能的耐高温性能、耐高压性能等。该方法的最终产品将适用于耐高温高压的相机舱口和设备的窗户。为此，合成了纳米金刚石颗粒，并对纳米金刚石颗粒表面进行了含H₂所以₄和HNO_3.酸建立均质层的COOH基团[10］．然后，将ND-COOH与亚硫酰氯反应生成酰氯基团。将酰氯功能化的纳米金刚石(ND-Cl)与胺改性玻璃基板反应。

实验

材料和物理测量

所有化学品和溶剂均从商业渠道购买，并直接使用，无需进一步纯化。扫描电子显微镜(SEM)是用日立S-4160运行在30 kV。采用WQF-510A型红外光谱仪记录FT-IR光谱。热重分析(TGA)采用梅特勒热重分析仪，温度范围为室温至800℃，加热速率为10℃/min。透射电镜(TEM)图像在Philips em280透射电镜上获得，加速电压为150 kV。

纳米金刚石的合成

在目前的研究中，由TNT和RDX(50/50)的混合物通过爆炸途径合成了纳米金刚石颗粒[14］．这些合成的颗粒含有一些杂质，包括金属和碳，这些杂质通过应用净化方法去除，如化学和热处理，这将在下一节中描述。

as合成ND的纯化工艺

将适量的原料与90 ml 37% HCl混合，在转向下加热至100°C 1小时。然后将高锰酸钾与h混合₂所以₄加入并搅拌一晚以去除更多杂质。最后，将颗粒过滤、洗涤并分散在200 ml HCl/HNO中_3.以1:1的比例。将混合物加热煮沸2小时以去除所有金属杂质。含有类碳相的碳杂质在400°C热氧化5小时后被去除。

ND表面氧化

ND-COOH根据文献进行了轻微修改[15］．在一个典型的程序中，5.0克纳米金刚石颗粒，120毫升H₂所以₄(98%)和HNO_3.(68%) (V:V=3:1)在水浴中超声30分钟。得到的混合物在80°C搅拌7天。然后，用离心分离反应溶液，用清水彻底清洗固体残渣。最后，将样品在60°C下真空干燥过夜，得到ND-COOH干粉。

纳米金刚石的化学氯化

为了将羧基转化为酰基氯，将0.1 g ND-COOH回流到30 ml含有10 ml亚硫酰氯(SOCl)的甲苯中₂70°C, 24小时。最后，剩余的SOCl₂在真空条件下，用旋转蒸发器去除样品。

稳定ND-Cl悬浮液的制备

简单地说，将10mg ND-Cl与40ml邻二氯苯混合，在水浴中超声2小时，以分散溶剂中的ND-Cl。此后，它被搁置了四天，以获得稳定的暂停。最后，将上面的20毫升溶液滗出以备将来使用。

胺化二氧化硅的制备₂的底物

首先在水虎鱼溶液(7:3 v/v H)中清洗玻璃基板₂所以₄/小时₂O₂)在80°C下放置1小时。然后用水冲洗，用N流吹干₂气体。将清洗干净的玻璃基板在旋转板上浸泡在2% APTES乙醇溶液中30分钟。然后，用乙醇冲洗。最后，得到的基材在50°C下固化过夜。

nd涂层SiO的制备₂的底物

将APTES处理过的玻璃基板放入50毫升的玻璃瓶中。然后，将20 ml稳定的ND-Cl悬浮液和几滴吡啶加入覆盖底物的瓶子中。将瓶子放入140°C的烤箱中24小时。反应完成后，用乙醇冲洗得到的底物。

结果与讨论

纳米金刚石样品的x射线衍射(XRD)图如图所示图1证实所得产物结晶具有立方结构。样品的石墨化也得到了认可。2Ɵ=25°处的宽衍射峰属于(002)石墨面(图1一个)．热处理后该峰消失，而2Ɵ=43.5°处(111)金刚石面强度增加(图1 b)．此外，宽峰证实了产品的小尺寸。

表面改性

显示了表面修饰前纳米金刚石颗粒的红外光谱图2．原始纳米金刚石显示出明显的功能基团峰，如C-H (2783 cm)^－1和2858厘米^－1拉伸和1321厘米^－1弯曲)和O-H振动(3300-3500厘米^－1伸展)。此外，在1012-1165 cm处有宽弱峰^－1显示了C-O和C-O - c醚振动的存在[16］．

图3介绍了纳米金刚石颗粒的热降解行为。结果表明，原始纳米金刚石颗粒的热重曲线可划分为4个温度区域。在第一个区域“I”(30°C-220°C)，由于吸附水的解吸，观察到重量的初始下降(约3 wt %)。在第二个区域“II”(220°C-400°C)中，样品的重量近似恒定。值得注意的是，在第三区域“III”(400°C-520°C)观察到纳米金刚石颗粒的重量增加，由于“轻”C- H键氧化为“重”C=O或C- O键，其最大重量在500°C左右。在第四个区域(>520°C)“IV”中，由于金刚石在空气中的氧化蚀刻，纳米金刚石颗粒的重量显著降低[17］．金刚石相开始分解的温度为550℃。重要的是，ND样品在800°C时的剩余质量约为60%，这表明纳米金刚石材料具有很高的热稳定性。

羧化ND颗粒(ND- cooh)

ND-COOH表面氧化后的红外光谱如图所示图4．与原始金刚石颗粒相比，ND-COOH颗粒的FT-IR光谱显示了一个位于1720 cm左右的强峰^－1，这归因于羰基(C=O)。此外，较弱的波段在3000-3700 cm^－1与O−H拉伸振动有关[18，19］．

采用热重分析仪(TGA)研究了ND-COOH样品的热稳定性(图5)．值得注意的是，从室温加热到180°C时，ND- cooh样品与原始ND样品相比，失水约为3%。这表明，由于ND- cooh表面存在C=O基团，因此ND- cooh比原始ND更亲水。此外，在200°C-550°C, ND-COOH颗粒的重量显著下降(10%)[20.，21］．

氯化钕颗粒(ND- cocl)

用FT-IR分析了亚硫酰氯表面氯化成功的第一个迹象(图6)．在790厘米处有一个尖峰^－1出现了C-Cl基团的拉伸振动[22］．值得注意的是，在此光谱中没有观察到C=O和O- h振动，表明氯化反应已经完全发生。

采用热重分析(TGA)研究了ND-Cl材料的热稳定性。图7)．需要注意的是，从室温加热到200℃时，ND-Cl样品的失水率较ND-COOH样品低4%左右。这表明，由于ND-Cl表面存在C-Cl基团，其亲水性不如ND-COOH。利用TEM图像研究了功能化前后纳米金刚石的尺寸。在此方面，原始纳米金刚石颗粒的透射电镜图像(图8)和ND-COOH粒子(图8 b)，证实反应条件对颗粒的大小和团聚没有显著影响。

nd涂层sio2基衬底

SEM图像验证了纳米金刚石颗粒在玻璃基板上的成功镀膜。如图9，b改性前在玻璃基板表面未观察到颗粒。另一方面，图9 c结果表明，纳米金刚石颗粒成功地涂覆在玻璃基板表面。需要注意的是，高倍扫描电镜图像(图9 d)表明，nd涂层衬底的厚度小于100 nm。

抛光实验是在实验室规模的机器上进行的，该机器由电机独立驱动的两个转轴和一个装满研磨材料的容器组成。将基板放在与主轴b相连的容器底部，将磨砂砂轮和抛光垫固定在主轴A上，施加1.5 N的抛光载荷。研究了纳米金刚石修饰前后基体表面粗糙度随抛光时间的变化规律。从…中可以看出图10与未涂覆的样品相比，纳米金刚石表面涂层提高了样品的粗糙度。

结论

采用爆炸法合成ND颗粒，并分别采用酸化法和热氧化法去除其中的金属和碳杂质。将纯化后的样品通过化学途径涂覆在玻璃基板上。然后对基体进行了研究，发现纳米金刚石涂层增加了基体的粗糙度。

鸣谢

作者非常感谢德黑兰大学为开展这项工作提供财政支持的努力。

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