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纳米科学与技术是近几十年来各国科学家研究的热点,而在纳米科技领域中,纳米材料科学是富有活力,研究内涵十分丰富的一个科学分支。纳米材料微小的结构颗粒具有尺寸小、比表面大、量子尺寸效应等特性[1],它对光、机械应力、电的反应完全不同于常规尺寸的结构颗粒,从而使纳米材料的理化性质发生根本变化,具有常规晶体材料所不具备的奇异或反常的物理和化学性质。所以,研制各种纳米材料已成为开发新材料的一条重要途径。
金刚石由于具有优异的力学、光学、电学和化学等综合性能，它在现代科学技术和现代工业领域中，不仅可以作为工程材料，而且还是一种具有发展前景和潜力很大的功能材料。因此，它在国民经济的许多部门具有广泛的用途，对现代科学技术的发展和现代工业起着非常重要的作用。在金刚石的众多优异性能中，其高硬度、高强度性能的应用较为普遍，因而大部分人工合成的金刚石被用来制造切削、磨削、抛光以及修整等工具[2]，且效果良好。由于它的独特性能，在一定程度上影响着一个国家工业发展的程度，代表着国家的机械加工水平，因而成为工业发达国家竞相发展的对象。日常生活中的金刚石来源有两种：一种是天然金刚石，另一种就是人工合成的金刚石。金刚石是目前世界上已知的最硬的物质，在地球上是一种罕见的矿物。由于天然金刚石蕴藏有限，开采困难，不能满足工业发展的快速需求，为此人们用人工的方法来制取金刚石。随着世界工业和科学技术的飞速发展，世界人造金刚石工业经过 40 年的发展，不仅产量上已远远超过天然金刚石，而且某些性能已超过天然金刚石。当今人造金刚石品种已形成一个完整的系列，完全可以满足各工业应用领域所提出的需要，而全面取代天然工业金刚石。
现在，应用于工具上的金刚石越来越多的是金刚石烧结体（PCD），由于它具有接近天然金刚石的硬度、耐磨性及硬质合金的抗冲击性，可以作为一种理想的刀具材料。而且其优良的切削加工性能在高速切削有色金属及其合金以及非金属材料场合得到了充分的体现。PCD 根据其晶粒结合情况可分为自身烧结型和中介结合烧结型。自身烧结型 PCD 在烧结时需在金刚石颗粒之间加入触媒金属（Co、Ni 等），而中介烧结型 PCD 在烧结时需加入碳化物相（Si、Ti 等），这些物质残留相的耐热性、硬度等远远低于金刚石的，所以在金刚石烧结体中就会导致弱相的产生。由于这些弱相的存在，使用 PCD 生产的刀具寿命和加工性能等受到了严重影响。实践证明，在传统 PCD 为主要原材料（金刚石）的尺寸范围内，以现有的烧结合成工艺实现 PCD 无弱相的合成，是十分困难的。但是纳米金刚石为这一问题的解决带来了曙光。纳米金刚石除具有金刚石的所有特点之外，还具有其它纳米粉体材料的所有特点，即：比表面积大、化学活性好、熵值大和较多的结构缺陷等[3]。由于纳米金刚石的双重特性，在复合镀层、研磨、抛光、润滑、密封、高强度树脂和橡胶等领域得到了广泛的研究和应用，显示出了良好的前景。纳米金刚石是21 世纪最有前途的材料之一[4-7]。
纳米金刚石的爆炸合成[8-9]是近十年发展起来的新技术,它利用负氧平衡条件下炸药在一个充有惰性介质密闭容器中爆炸产生的瞬时超高温高压,使释放的自由碳原子重新排列、聚集、晶化后形成纳米碳集聚体。其中包括不同的碳结构形态,如石墨、金刚石和无定形碳,经酸性氧化液处理后即可得到纯度较高的纳米金刚石。纳米金刚石是平均粒径为纳米量级的金刚石微粉,它兼具了纳米粒子和超硬材料的双重特性,巨大的比表面积,大量的结构缺陷和表面含氧官能团等,使其在开发具有特殊性能的新材料方面具有较大的潜力。
爆炸法制备纳米金刚石,当爆炸产物膨胀时将发生氧化、石墨化、颗粒团聚、表面缺陷生成等过程,与之紧密接触的周围介质对抑制此类过程的发生和保护生成的金刚石具有重要的作用。选用一些气体作为惰性介质。发现用CO2的结果优于其它几种气体,而采用氦、氢等惰性气体时,几乎不生成金刚石。随后采用比热更大的液体物质作为惰性介质。得到了纳米金刚石的收率随整个爆炸容器热容量的增加而提高的结论。实验结果表明,实验装药包裹适量的水对得到高质量的纳米金刚石最为有利[10]。
爆轰法合成的纳米金刚石具有金刚石材料和纳米材料的双重特性。除了具有金刚石的特性外，纳米金刚石的基本特点为：
（1） 颗粒尺寸范围为 2～20 nm，平均粒径为 5 nm；纳米金刚石大多为单晶，表面形貌呈较规则的球形或类球形；密度为 3.05～3.3 g/cm3；颗粒易团聚，团聚体之间不仅存在范德华力和静电力，还有化学键的作用。
（2） 比表面积大（200～420 m2/g），表面活性高，H、O、N 等原子与纳米颗粒表面碳原子悬空键结合，形成羟基、羰基以及一些含氮基团，可吸附大量杂质原子或基团[11]。
（3） 与宏观尺寸的金刚石比较，纳米金刚石的石墨化转变温度较低，而且其转变产物为洋葱状富勒烯。这与纳米金刚石表面效应、超强的化学活性和晶体结构的严重不完整性有关。虽然已有很多研究从理论和实验上探讨了纳米金刚石的石墨化转变过程，但是纳米金刚石向洋葱状富勒烯转变的过程和机制仍不清楚[12-13]。由于铜基复合材料在制备和使用过程中都会经高温作用，因此研究其热稳定性对复合材料的制备和性能具有重要意义。
（4） 纳米金刚石的团聚现象严重，纳米金刚石平均粒径只有5 nm，为了降低表面能，纳米颗粒聚集成 20～30 nm 的一次团聚体，然后在通过颗粒表面的官能团结合成数百纳米到数十微米的二次团聚体。纳米金刚石团聚体的尺寸基本上在以下三个范围[14]：100～200 nm，2～3μm，20～30μm。纳米金刚石严重的团聚现象会影响其性能的发挥，因此纳米金刚石的解团聚是开发其应用必须要面对的问题。一般的超声分散方法只能粉碎微米级团聚体，而很难将 100~200 nm 的纳米金刚石团聚体粉碎。目前研究较多的解团聚方法是采用化学方法对纳米金刚石进行表面改性处理，以提高其分散性能，但是这些方法工艺过程都比较复杂[15-16]。
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