在超硬材料領(lǐng)域，金剛石微粉以其卓越的硬度、導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性成為眾多高端產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料。然而，這些優(yōu)異性能的背后，卻存在著一個(gè)長(zhǎng)期困擾業(yè)界的難題——顆粒團(tuán)聚效應(yīng)。

這一難題的解決，正依賴于對(duì)Zeta電位的精確理解與調(diào)控。作為表征顆粒分散穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，Zeta電位已成為金剛石微粉工藝優(yōu)化與產(chǎn)品升級(jí)的核心參數(shù)之一。表面電荷行為成為提升超硬材料性能的關(guān)鍵因素。

金剛石微粉是指粒徑在納米至微米尺度的金剛石顆粒，這種材料被譽(yù)為材料界的“工業(yè)味精"，具有電絕緣、超強(qiáng)硬度、卓越導(dǎo)熱性、極佳耐磨性以及獨(dú)特的表面化學(xué)特性。納米金剛石在聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨、導(dǎo)熱、減摩等關(guān)鍵性能提升方面展現(xiàn)出巨大潛力。

基于這些優(yōu)異性能，金剛石微粉的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋航空航天、精密電子、醫(yī)療器械、新能源汽車、半導(dǎo)體等多個(gè)高端領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，納米金剛石增強(qiáng)的復(fù)合材料用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件；在精密電子領(lǐng)域，它被用于導(dǎo)熱界面材料，有效解決高功率元件的散熱問題；在醫(yī)療器械中，納米金剛石因其生物相容性和耐磨性，被用作植入體材料的增強(qiáng)相；在新能源汽車上，則主要用于提高電機(jī)絕緣材料的導(dǎo)熱性能。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，它是CMP拋光液的關(guān)鍵添加劑；在高端復(fù)合材料中，它作為功能性填料顯著提升基體材料的導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度。

2025年7月，由我國牽頭制定的ISO國際標(biāo)準(zhǔn)《特殊用途功能性填料 聚合物用納米金剛石》（ISO 6031:2025）正式發(fā)布，標(biāo)志著我國納米級(jí)金剛石材料產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從“深耕積淀"到“引領(lǐng)國際"的歷史性跨越。該標(biāo)準(zhǔn)首次界定了納米金剛石材料的定義與類別、關(guān)鍵性能指標(biāo)與測(cè)試方法、在聚合物中的評(píng)價(jià)規(guī)范、安全與環(huán)保要求等，規(guī)定了原料純度、晶體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵指標(biāo)，確立了評(píng)估納米金剛石在聚合物基體中分散穩(wěn)定性的測(cè)試方法。

衡量金剛石微粉產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括(不限于)以下方面：

Zeta電位（ζ-potential）是指顆?；瑒?dòng)面處的電位，是表征膠體體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。它反映了顆粒表面帶電狀態(tài)以及顆粒間相互作用的強(qiáng)弱，直接影響到顆粒在分散介質(zhì)中的分散性和穩(wěn)定性。

對(duì)于金剛石微粉而言，Zeta電位之所以備受關(guān)注，根源在于其極易發(fā)生團(tuán)聚的特性。金剛石微粉的高表面能導(dǎo)致它們傾向于聚集以減少總表面積和表面能，這種團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。

例如，在聚合物復(fù)合材料中，團(tuán)聚的金剛石微粉不僅不能充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用，反而可能成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低材料的機(jī)械性能。高導(dǎo)熱性的金剛石微粉如果因團(tuán)聚而無法在基體中均勻分散，會(huì)大大降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱通路，影響最終產(chǎn)品的導(dǎo)熱性能。傳統(tǒng)的金剛石表面活化方法獲得的金剛石微粉的表面活化程度非常低，表面Zeta電位值低于20mV，隨著金剛石微粉在樹脂組合物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，樹脂組合物的黏度會(huì)急劇增加，金剛石微粉在樹脂組合物中的分散效果不佳。

研究表明，通過表面改性使金剛石復(fù)合微粉的表面Zeta電位絕對(duì)值達(dá)到30-50mV，能夠有效抵抗分子間作用力，降低金剛石復(fù)合微粉在樹脂組合物內(nèi)的團(tuán)聚。這一數(shù)值已被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)良好分散的“黃金范圍"。Zeta電位絕對(duì)值大于30mV（正或負(fù)）通常表明體系具有較好的穩(wěn)定性，顆粒間有較強(qiáng)的靜電斥力來抵抗范德華引力。

在表面改性技術(shù)快速發(fā)展的背景下，zeta電位是評(píng)價(jià)表面改性效果的重要指標(biāo)，通過酸化、氧化或包覆處理后，zeta電位變化直接反映表面官能團(tuán)（如羥基、羧基）的引入效果。

此外，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)zeta電位有不同要求，如拋光液需高負(fù)電位（-40mV）以增強(qiáng)顆粒吸附穩(wěn)定性，而電鍍體系則需要中性或弱正電位（+10mV）來優(yōu)化鍍層均勻性。

Zeta電位已成為衡量金剛石微粉表面改性以及分散穩(wěn)定性調(diào)控手段的核心指標(biāo)。

Zeta電位的測(cè)量主要采用電泳光散射技術(shù)(ELS)，核心原理是激光多普勒效應(yīng)。當(dāng)顆粒在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，散射光的頻率會(huì)發(fā)生偏移，通過測(cè)量這種頻移可以確定顆粒的電泳遷移率，進(jìn)而計(jì)算Zeta電位。

目前，我國已制定了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 32671.2-2019《膠體體系 zeta電位測(cè)量方法 第2部分：光學(xué)法》，GB/Z 42353-2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》，為Zeta電位的測(cè)量提供了標(biāo)準(zhǔn)方法。

測(cè)量Zeta電位時(shí)需要考慮多種影響因素：

對(duì)于金剛石微粉，其等電點(diǎn)通常位于較低的pH范圍內(nèi)，因此在中性或堿性條件下往往帶有負(fù)電荷。了解這一特性對(duì)于設(shè)計(jì)穩(wěn)定的分散體系至關(guān)重要。

針對(duì)納米材料粒度及Zeta電位測(cè)試需求，珠海歐美克儀器有限公司推出了NS-90Z Plus納米粒度及電位分析儀。這款儀器在成功引進(jìn)和吸收馬爾文帕納科納米顆粒表征技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了光學(xué)電子測(cè)量技術(shù)和分析性能。

▲ 歐美克NS-90Z Plus 納米粒度分析儀

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NS-90Z Plus采用動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)量顆粒的粒度，使用電泳光散射技術(shù)測(cè)定顆粒Zeta電位和電位分布。其粒度測(cè)試范圍達(dá)到0.3nm-10μm，能夠覆蓋絕大多數(shù)金剛石微粉的粒徑范圍。

NS-90Z Plus的創(chuàng)新之處在于其融合了馬爾文帕納科恒流模式下的M3-PALS快慢場(chǎng)混合相位檢測(cè)分析技術(shù)，提升了儀器的電位分析性能。該技術(shù)成功解決了毛細(xì)管電滲對(duì)測(cè)試的影響，并且在一次測(cè)試過程中同時(shí)得到Zeta電位平均值和電位分布曲線。恒流模式能有效緩解電極極化的影響，使結(jié)果重現(xiàn)性更好，準(zhǔn)確性更高。

對(duì)于金剛石微粉行業(yè)，NS-90Z Plus提供了全面的解決方案：

采用M3-PALS（相位分析光散射）技術(shù)，通過快慢場(chǎng)混合模式消除電滲影響，使Zeta電位測(cè)量精度達(dá)±0.5mV，重復(fù)性可達(dá)±0.3mV。這種精度水平足以滿足甚至是最苛刻的金剛石微粉質(zhì)量控制要求。

可分析樣品濃度最高達(dá)到40% w/v，能夠適應(yīng)不同濃度范圍的金剛石微粉樣品。

獨(dú)立的帕爾貼循環(huán)溫控裝置可在0-120℃范圍內(nèi)任意設(shè)定，控制精度最高可達(dá)0.1℃，保障測(cè)試結(jié)果高重現(xiàn)性。溫度穩(wěn)定性對(duì)zeta電位測(cè)量至關(guān)重要，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)影響介質(zhì)的粘度和介電常數(shù)，從而顯著影響測(cè)量結(jié)果。

采用恒流模式支持高達(dá)260mS/cm樣品測(cè)試，克服了傳統(tǒng)電泳法在高導(dǎo)電率條件下的測(cè)量限制。這一功能對(duì)于測(cè)量經(jīng)過表面改性或在高離子強(qiáng)度介質(zhì)中使用的金剛石微粉尤為重要。

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