振动球磨膨胀石墨制备纳米金刚石的方法

摘要

一种振动球磨膨胀石墨制备纳米金刚石的方法，主要是采用插层剂对石墨片进行插层处理，该插层剂是体积比为浓度为98%的硫酸：浓度为30%的双氧水=10:1.5的混合液，每克石墨放入上述插层剂1.7~2.0ml，水洗至PH值为6,在干燥箱中80℃烘干24h,最后在1000℃进行高温膨化处理，制备出膨胀石墨。将上述膨胀石墨放入高能振动球磨机球磨罐中，球料比为30:1~50:1，在空气或氩气保护环境中装机，向磨罐中注入乙醇作为球磨介质，球磨机的转速为600~900r/min，球磨时间为20~40h，待球磨罐冷却至室温，即得到粒径为5～10nm的纳米金刚石。本发明操作简单、成本低廉、安全可控，并且便于批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米金刚石的制备方法。

背景技术

纳米金刚石除了具有高的硬度、杨氏模量以及热导率等金刚石的基本性质以外还具有表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米材料的通性，使得纳米金刚石在很多领域得到广泛应用, 因此受到越来越多的关注。

石墨是自然界丰富的碳源，以石墨为原料制备纳米金刚石无疑会大大降低成本，然而人工合成金刚石需要一个超高温高压的极端条件。追溯历史，早在1953年，瑞典科学家Baltzar von Platen加压石墨/Fe₃C的混合物，首次人工合成了金刚石。随后，许多科学家研究出多种方法来制备纳米金刚石。 

目前，人工合成纳米金刚石的制备方法主要有：爆炸法、气相沉积法、冲击波法。1961年， Paul S. De以石墨为碳源，采用爆炸法瞬间制备出了微晶金刚石。此方法确实可以批量生产纳米金刚石粉体，但是也有明显的不足之处：一、爆炸过程极短，反应过程中包含着复杂的物理化学变化，反应过程不易控制。二、考虑到爆炸过程的危险性，制备条件受限。化学气相沉积法也是一种较为成熟的制备纳米金刚石的方法。任瑛等以Ar + CH₄ + H₂混合气体作为气源, 采用热丝化学气相沉积法在单晶硅<100>基片上沉积纳米金刚石。沉积过程中，氩气的浓度直接影响到纳米金刚石颗粒的大小，当氩气的体积分数为98%时，得到了平均晶粒尺寸为54 nm的金刚石颗粒，显然这对提高工业生产效率有着严重的影响。K. Yamada 等以热解碳为原料采用冲击波法制备出了纳米金刚石，但是其设备和操作过程及其复杂且无法实现量产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、安全可控、可批量生产的振动球磨膨胀石墨制备纳米金刚石的方法。

本发明的制备方法如下： 

1、膨胀石墨的制备：在室温条件下，采用插层剂对35~100目的天然鳞片石墨进行插层处理，该插层剂是体积比为浓度为98%的硫酸：浓度为30%的双氧水=10 :1.5的混合液，每g石墨放入上述插层剂1.7~2.0 ml，然后水洗至PH值为6, 在干燥箱中80 ℃烘干24 h, 最后在1000 ℃进行高温膨化处理，制备出其膨胀体积为100～280 ml/g 的膨胀石墨。

2、纳米金刚石的制备：将上述膨胀石墨放入高能振动球磨机球磨罐中，磨球为GCr15轴承钢钢球，磨球与膨胀石墨的质量比（即球料比）为30:1~ 50:1，在空气或氩气保护环境中装机，为防止球磨期间膨胀石墨发生团聚，向磨罐中注入乙醇作为球磨介质，球磨机的转速为600~900 r/min，球磨时间为20~40 h，待球磨罐冷却至室温，即得到粒径为5～10 nm的纳米金刚石。

本发明与现有技术相比具有如下优点：克服了当前制备纳米金刚石过程中繁琐的操作流程、特殊的制备条件和生产效率低的问题，其操作简单、成本低廉、安全可控，并且便于批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例1获得的纳米金刚石的电镜图。

图2是本发明实施例2获得的纳米金刚石的电镜图。

具体实施方式

实施例1

在室温条件下，取6 g100目的天然石墨片进行插层处理，放入插层剂10.2 ml，该插层剂为10:1.5浓度为98%的硫酸和浓度为30%的双氧水的混合液，水洗至PH值为6, 然后在干燥箱中80 ℃烘干24 h, 之后在1000 ℃条件下进行高温膨化处理，制备出膨胀体积为100 ml/g的膨胀石墨。将1 g上述膨胀石墨和30 g GCr15轴承钢钢球放入高能振动球磨机的球磨罐中，注入1 ml乙醇，氩气气氛中装机，球磨机的转速为900 r/min，球磨40 h，待球磨罐的温度完全冷却至室温，即得到粒径大小为5～10 nm的纳米金刚石。

如图1所示，其中白色箭头标注的位置即为纳米金刚石结构，对指定的正方形区域进行傅里叶变换，得到了图中左上角衍射光斑，进一步证明了该区域为纳米金刚石结构。

实施例2

在室温条件下，取6 g35目的天然石墨片进行插层处理，放入插层剂11.5 ml，该插层剂为10 :1.5浓度为98%的硫酸和浓度为30%的双氧水的混合液，水洗至PH值为6, 然后在干燥箱中80 ℃烘干24 h, 之后在1000 ℃条件下进行高温膨化处理，制备出膨胀体积为280 ml/g的膨胀石墨。将1 g上述膨胀石墨和50 g GCr15轴承钢钢球放入高能振动球磨机的球磨罐中，注入1 ml乙醇，在空气气氛中装机，球磨机的转速为600 r/min，球磨20 h，待球磨罐的温度完全冷却至室温，即得到粒径大小为5～10 nm的纳米金刚石。

如图2所示，其中白色箭头标注的位置即为纳米金刚石结构，对指定的正方形区域进行傅里叶变换，得到了图中左上角衍射光斑，进一步证明了该区域为纳米金刚石结构。

实施例3

在室温条件下，取6 g80目的天然石墨片进行插层处理，放入插层剂12.0 ml，该插层剂为10:1.5浓度为98%的硫酸和浓度为30%的双氧水的混合液，水洗至PH值为6, 然后在干燥箱中80 ℃烘干24 h, 之后在1000 ℃条件下进行高温膨化处理，制备出膨胀体积为200 ml/g的膨胀石墨。将1 g上述膨胀石墨和40 g GCr15轴承钢钢球放入高能振动球磨机的球磨罐中，注入1 ml乙醇，氩气气氛中装机，球磨机的转速为800 r/min，球磨30 h，待球磨罐的温度完全冷却至室温，即得到粒径大小为5～10 nm的纳米金刚石。