影响金刚石合成的粉末触媒形态因素

采用相同成分体系的片状、球状Ni-Mn-Cu粉末触媒体为原料,在六面顶压机上进行人造金刚石高温、超高压合成的对比实验.结果表明:具有片状等不规则形状的NiMnCu粉末触媒合成工艺较球状同类粉末触媒合成工艺更稳定、易于掌握.针对上述结果,结合金刚石成核、生长过程中合成腔体内温度变化对上述实验结果进行了讨论.     

粉末法合成人造金刚石技术的研究与应用

目前,工业人造金刚石的合成是在高温高压条件下通过触媒作用将碳元素的排序由石墨结构转变成金刚石结构.传统的片状合成技术成本高,转化率低,已逐步被先进的粉末合成技术取代.粉末合成技术解决了原材料的研制、粉末柱的制备、合成结构及合成工艺的确定等关键技术问题.随着粉末合成技术的推广应用,我国人造金刚石得到快速发展,生产成本大幅降低,金刚石产量及质量大幅提高.     

高岭石质密封传压介质金刚石合成扩大试验研究

以高岭石替代叶蜡石为主要原料制作密封传压介质并进行了金刚石合成扩大试验.分别以试块密度、腔体直径和热处理工艺为因素进行了条件试验.根据平均单产量、粗粒级含量、高强度颗粒含量、锤耗以及合成稳定性对实验结果进行表征.结果表明:φ40 mm腔体与φ42mm腔体使用效果较好,而φ44mm腔体合成稳定性相对较差.通过三段升温,最高温度320℃的低温长时热处理工艺,φ44mm腔体密封传压介质稳定性明显增加.采用以上最优条件,φ44mm腔体高岭石质密封传压介质的使用效果为:平均单产120 ct,≥130 N晶粒所占比例为40;,≥50/60晶粒比例为80;,锤耗小于1.2 kg/1×104 ct,合成稳定性较好.通过以上结果得出结论:高岭石质密封传压介质合成金刚石的效果与叶蜡石质密封传压介质相当,试验中采用的高岭石适合制作金刚石合成用密封传压介质.     

采用片状铁基触媒借鉴粉末工艺合成金刚石

以单质金属粉为原料,采用粉末冶金方法制备了片状铁基触媒,并借鉴目前金刚石工业中最为常用的粉末触媒组装方式及合成工艺在高温高压下进行了金刚石合成试验.试验获得了粒径为300～500μm,具有六-八面体外形,形态完整,质量较高的立方金刚石单晶.检测发现,其主要性能指标均超过机械行业标准《人造金刚石技术条件》(JB/T7989-1997)对锯片级金刚石的技术要求,评级可在SMD30以上.同时,还具有较小的磁性和优于一般金刚石的热稳定性.试验验证了采用单质金属粉合成优质金刚石的可能性,有望进一步简化触媒制备工艺,降低金刚石的生产成本.     

Fe70Ni30粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成

在6.5 GPa高压条件下,使用Fe70Ni30粉末触媒研究了Ⅱa型金刚石大单晶的合成.实验结果表明,若不对晶种表面进行保护,高温高压条件下金刚石晶种将发生碳化,致使难以合成出金刚石.当合成腔体中除氮剂Ti/Cu添加量达到2.2wt;时,所合成的金刚石大单晶呈现为无色透明,利用傅里叶显微红外光谱仪(FTIR)对所合成的金刚石大单晶进行了测试,所合成的晶体中不含有氮杂质.然而,F1IR测试结果表明所合成的Ⅱa型金刚石大单晶中有碳-氢基团的存在,其对应的FTIR特征吸收峰分别位于2850 cm-1和2920 cm-1处.此外,所合成的Ⅱa型金刚石大单晶的Raman特征峰位于1132.13 cm-1处,且其结晶度非常高.     

Φ23mm腔体合成金刚石新工艺研究

本文系统报道了采用Φ２３ｍｍ合成腔体在铰链式液压机上进行的合成优质金刚石的实验结果。在对试验结果进行了详细分析的基础上，指出了新工艺的特点和选用该工艺合成金刚石应不注意的问题。     

NiFe合金粉末触媒合成金刚石研究

本文介绍了人工合成金刚石的一种新方法.研究中采用NiFe合金粉末作为原料,并对NiFe合金粉末坯块进行活化处理,在超高压、高温的条件下,做为触媒材料经一定的工艺流程合成了金刚石.结果表明,这种触媒材料采用这种新方法所合成的金刚石产品具有其明显的特征,可显著提高金刚石的粗粒度百分比且粒度集中,金刚石样品质量高,金刚石的颜色黄且单产高.     

添加剂Si对NiMnCo触媒合成金刚石的影响

本文研究了添加剂Si对NiMnCo粉末触媒合成金刚石生长特性的影响.实验中将不同比例的无定形Si粉直接添加到Ni-Mn-Co-C体系中并均匀混合,在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验.结果表明,由于掺Si量的不同,合成金刚石的最低生长压力有所不同,"V"形区发生了移动;通过考察Ni-Mn-Co-C和Ni-Mn-Co-Si-C两种体系中合成金刚石的情况并借助于光学显微镜,发现两种体系所合成的晶体颜色变化并不大,但随着Si含量的增加,晶体的完整性变差,包裹体增多;通过XPS检测发现,在Ni-Mn-Co-Si-C体系所合成的金刚石当中存在SiC.     

FeMn粉末触媒制备及金刚石合成条件的研究

利用气雾化法制备了FeMnX1、FeMnX2NiY2、FeMnX2CoY2(X1=X2+Y2,X2＞Y2,0＜Y2≤10)粉末触媒.利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪对粉末进行了表征.分析表明:制备的粉末大多为球形颗粒,D50约为23.6 μm,晶格常数约为0.36108 nm;按触媒与石墨粉的比例为4: 6制备合成柱并进行了合成实验,结果表明用FeMn基粉末触媒合成金刚石的温度、压力均要高于使用FeNi30触媒,在5.4～5.6 GPa压力、温度高于1450 ℃时才可以合成出金刚石,添加Y2;的Ni或Co元素后合成温度和压力稍微降低,且金刚石形核量有所增加.此外,利用晶体的价电子结构和界面电子密度连续理论分析了不同的M3C型碳化物对合成条件的影响,解释了FeMn基触媒合成金刚石条件高于FeNi触媒的原因.     

稀土元素对人造金刚石冲击韧性的影响

探讨了含稀土合金粉末对合成金刚石的影响.采用加入少量稀土的NiFe-C作为原料,构成"NiFe-RE-C"粉末材料,再对该粉末一体化芯坯进行活化处理.在超高压、高温的条件下,经一定的工艺流程合成了高品级金刚石.采用该方法的显著特点是提高了金刚石的粗粒度百分比,且生产出的金刚石样品质量高,具有很好的冲击韧性.     

Thermodynamic Properties of the Amorphous and Crystalline Modifications of Carbon and the Metastable Synthesis of Diamond

The temperature dependencies of the thermodynamic properties of the little known (or even hypothetical) undercooled carbon melt and of the glasses that could be obtained from it at appropriate cooling rates are constructed. This is done using both a general thermodynamic formalism to estimate equilibrium properties of undercooled glass‐forming melts and the expected analogy in properties of Fourth Group Elements. A comparison of the hypothetical carbon glasses with amorphous materials, obtained by the pyrolisis of organic resins, usually called vitreous (or glassy) carbon, is made. It turns out that from a thermodynamic point of view existing vitreous carbon materials, although characterized by an amorphous, frozen‐ in structure, differ significantly from the carbon glasses, which could be obtained by a splat‐ cool‐quench of the carbon melt. It is shown also that the hypothetical carbon glasses should have at any temperature a thermodynamic potential, significantly higher than that of diamond. Thus they could be used as a source of constant supersaturation in metastable diamond synthesis. Existing amorphous carbon materials, although showing considerably lower thermodynamic potentials than the hypothetical carbon glasses, could also be used as sources of constant supersaturation in a process of isothermal diamond synthesis if their thermodynamic potential is additionally increased (e.g. by mechano‐ chemical treatment or by dispersion into nano‐size scale). Theoretical estimates made in terms of Ostwald's Rule of Stages indicate that in processes of metastable isothermal diamond synthesis additional kinetic factors (e.g. influencing the formation of sp³ ‐ carbon structures in the ambient phase) and the introduction of active substrates (e.g. diamond powder) are to be of significance in the realization of this thermodynamic possibility.     

NiMnCo粉末触媒合成金刚石特征的研究

本文采用扫描电子显微镜(SEM)、图象分析仪和金刚石性能测试仪分别对粉末状和片状NiMnCo触媒合成的金刚石形貌、(111)、(100)结晶面的微形貌、包裹体分布及其力学性能进行分析.研究结果表明:与片状触媒合成的金刚石相比,NiMnCo粉末触媒合成的金刚石呈典型的六-八面体,晶型完整率高;(111)、(100)结晶面完整无缺陷,透明度高、包裹体少且细小分散.因此,NiMnCo粉末触媒合成的金刚石具有较高的静压强度和热稳定性.     

硼协同掺杂金刚石单晶的高温高压合成

金刚石是一种具有优异性能的极限性超硬多功能材料。人工合成的金刚石可通过掺杂的方式使其具有各种独特的性质。掺硼金刚石兼具p型半导体的导电特性和金刚石自身优良的物理和化学性能,在国防、医疗、勘探、科研等领域具有极高的应用价值。本文基于本课题组高温高压(HPHT)法合成的系列掺硼金刚石以及硼协同掺杂金刚石单晶,进行了硼掺杂金刚石、硼氢协同掺杂金刚石以及硼氮协同掺杂金刚石的合成和性能特征等方面的研究。通过表征合成样品在光学、电学方面的性能,探讨了不同掺杂添加剂对合成金刚石性能的影响,为合成高性能的半导体金刚石提供了思路。     

高温扩散法制备B-S共掺杂单晶金刚石

利用高纯度的硼粉和硫粉,在1 300℃的高温真空环境下,通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明,随着两种元素的掺入,金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂,蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状,随着掺杂量的增加出现断层,并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量,掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入,拉曼半峰全宽值增大,金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明,掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型;B-S质量比为0.5时,样品的霍尔系数为负值,导电类型为n型。     

Nucleation of diamond powder particles in an RF methane plasma

The author examined the structure of powder particles obtained in the gas phase by decomposition of methane in an RF electric field. The powders are not nucleated on the substrates. They are formed when the process duration is long enough (i.e. dozens of minutes) at a large flow of methane gas. By means of TEM it was found that the powder obtained consisted of superfine crystallites of a diamond structure. The author presumes that the powders were formed in the gas phase. It seems that superfine diamond crystallites present in the powder particles may also have formed directly in the gas phase since the growth conditions are suitable for sp³ electron hybridization, and the Laplace pressure (the surface energy effect) is of the order GPa, especially in crystallites of a nanometer size.     

Study of bound hydrogen in powders of diamond nanoparticles

Crystallography Reports - In order to access feasibility of increasing albedo of very cold neutrons from powder of diamond nanoparticles, we studied hydrogen bound to surface of diamond...     

金刚石单晶高温高压合成中氮对硫的影响

为了研究在金刚石大单晶生长过程中氮对硫的影响,在6.5 GPa高压条件下采用温度梯度法分别研究了两种不同合成体系中金刚石的合成.利用傅里叶显微红外光谱(FTIR)仪对所合成的金刚石进行了测试,测试结果表明:晶体中(a)中不含有氮,晶体中(b)中氮的浓度为280 ppm.此外,对所合成的样品进行了X射线光电子能谱测试,测试结果表明:在Ib型金刚石中有硫元素存在,而硫未进入到IIa型金刚石中.因此,金刚石中氮的存在对金刚石中硫的进入有促进作用.