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人造金刚石特性及其制造方法简介
2015年03月31日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:5764
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金刚石是自然界最坚硬的物质,摩氏硬度10,显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍,比刚玉高150倍。它的形成和发现极为不易,它是碳在地球深部高温高压的特殊条件下历经亿万年转化而成的,由于地壳的运动,它们从地球的深处来到地表,蕴藏在金伯利岩中,从而被人类发现和开采。 虽然人类可以生产出人造金刚石,但质量大小还不及天然金刚石人造金刚石在工业中应用十分广泛,可用于切削、磨削、钻探;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;它有优良的透光性和耐腐蚀性,在电子工业中也得到广泛应用。


人造金刚石制造方法有许多种,具有代表性的几种分类参考下图


静压触媒法是国内外工业生产上应用最为广泛的方法,人造金刚石的绝大部分(约90%)都是用这种方法生产的。爆炸法在某些国家被应用于金刚石微粉的生产,产量占很小。CVD薄膜生长法近年来开始了工业应用。其它一些方法,目前都还处于试验研究阶段。


静压法,又称静态超高压高温合成法。静压触媒法是指在金刚石热力学稳定的条件下,在恒定的超高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。就是以石墨为原料,以过渡金属或合金作触媒,用液压机产生恒定高压,以直流或交流电通过石墨产生持续高温,使石墨转化成金刚石。转化条件一般为5~7GPa,l300~1700℃。这个方法就是传统的高压高温合成法,至今已有40多年的历史了。现在它还在继续发展和完善中,国内外都在致力于高压设备和加热方法的改进以及碳素原料和合金触媒的研究。


静压触媒法合成金刚石的工艺程序大致分为以下三个阶段:


原材料准备    (石墨、触媒、叶蜡石的选择、加工与组装)

高压高温合成  (p、T、t参数,控制方法与设备)

提纯分选与检验(原理、方法、标准、仪器)

静压触媒法制造金刚石的原理与工艺,是本书所要讨论的主要内容。


所谓静压直接转变法,是指没有触媒参与下的静压法。由于不用触媒,因而需要更高的压力和温度条件,对压机提出了更高的要求,这也正是它不能用于工业生产的原因。


静压法有两种情况,一是固相转化,二是熔融冷暖。

(1) 固相转化

固相转化,要求提供12GPa以上的压力、2000℃以上的温度,保持时间很短(千分之几秒),只能生长细微的多晶体。


(2) 熔融冷凝

此法比固相转化要求更高的压力和温度。日本有人曾经在20GP,和4000℃条件下,使金刚石熔融,然后逐渐冷凝成为块状大单晶。这是液相金刚石向固相金刚石的转变。也可以通过石墨→熔融→重结晶的过程生成金刚石。石墨在高压高温下熔融,晶格解体,然后冷凝,在重结晶过程中建立起金刚石键,成为金刚石晶体。这种方法的困难在于要有耐高温容器。


动压法主要是爆炸法,爆炸法压力温度条件与不用触媒的静压法相似(压力一般在20GPa以上),但产生高压高温的方法不同,不是用压机,而是用炸药。利用TNT(三硝基甲苯)和RDX(黑索金)等烈性炸药爆炸后产生的强冲击波作用于石墨,在几微秒的瞬间可得到几十GPa和几千度高温,使石墨转变为金刚石,产品一般为5~20nm的细小多晶体。结晶缺陷严重,脆弱,可作为研磨膏或者制造聚晶的原料。纳米金刚石的用途有待研究开发。


爆炸法的优点是不需要贵重设备,单次产量高,每次使用15kg炸药(TNT 40%+RDX60%)可生产约120克拉的金刚石微粉,缺点是温度压力不好控制,尤其无法分别控制温度和压力并且样品回收提纯手续繁多。

 

亚稳态生长法是在金刚石亚稳定的压力温度条件下的生长方法。这种方法不需要高压,往往是在常压或负压(真空)下进行。所谓外延生长,是指由碳源解离出的一个个碳原子在预先提供的晶种上或其它基体表面上不断沉积,使晶体逐渐长大,而不需要形成新晶核。


低压下的薄膜生长法又称为低压气相沉积(CVD)技术。其原理是使含碳的气体分子(例如CH4CO2等气体)在负压下被加热分解游离出碳原子,在金刚石籽晶或其它基底材料的表面上外延生长,压力稍低于一个大气压,温度1000~1 500℃。CVD 法生产的金刚石薄膜生长速度往往较慢,并且当使用的气体是CH4时,生产的金刚石薄膜会含有少量的氢,而氢会使金刚石的四方晶体变形,从而会损害金刚石薄膜的有用性能。


国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》发表了极速5分快三科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组的论文《低温还原二氧化碳(CO2)合成金刚石》。论文介绍了他们在人工合成金刚石(即钻石)方面取得的重大突破——在440℃的低温条件下以CO2为碳源成功地合成了250微米的大尺寸金刚石。陈乾旺教授的研究工作则首次实现了从CO 2到金刚石的逆转变该成果在国际上引起了极大反响。英国《新科学家》、美国《切割工具工程》和意大利、法国、德国等传媒纷纷对此进行了报道。


      金刚石微粉                                  金刚石薄膜 


随着世界科学技术不断发展,人造金刚石的工艺不断更新,人造金刚石工业在世界范围内受少数国家(公司)垄断的时代已经过去,生产布局向多极化方向发展,我国已经成为人造金刚石工业发展热点地区。我国的人造金刚石产业主要集中在河南省,无论是金刚石原料还是金刚石微粉产量都居全国之首。随着经济的蓬勃发展,建材、地质、石油天然气、机电、汽车等行业都将需要大量的金刚石,人造金刚石市场需求将保持持续增长的良好势头

                                               (粉体圈 作者:沐恩)


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