金刚石合成中的结构转化

本文以具普遍意义的CCMCC结构作为基本研究对象,提出了通过过渡金属原子和石墨网面间建立类似σ—π电子授受配键的外层电子间联系,形成作为金刚石结晶基元的双层椅子形网面组,从而实现石墨-金刚石结构转化的微观模型。 关键词：     

超纳米金刚石薄膜结构相变的第一原理分子动力学研究

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对稳定性和物理性质又尤为重要。本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构。研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开（111）面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从（111）面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行。转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相——Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-Diamond结构稳定存在。     

基于晶体三维点阵热振动物理力学分析的Mie-Grüneisen状态方程

根据晶体结构建立了三维定容热振动的微观物理力学模型,由力学方程推导出了点阵热振动能量与外力的微观热振动的力学关系。在微观热振动关系中引入宏观统计物理量,直接从物理力学模型得到了Mie-Grüneisen固体状态方程和Grüneisen系数的表达式。根据晶体结构中的原子排列规律,对简单立方、面心立方、体心立方、金刚石立方晶体和理想密排六方晶体的Grüneisen系数的表达式进行了证明。结果表明,这些对称性晶体结构的Grüneisen系数与冷压具有统一的微分关系,与晶体结构无关。     

3C-SiC薄膜小角晶界附近位错核心的原子组态研究

用LaB₆灯丝200 kV高分辨透射电镜拍摄了有小角晶界的3C-SiC/(001)Si 薄膜的[110]高分辨电子显微像. 用像解卷技术把本不直接反映晶体结构的实验像转化为结构像. 首先, 从完整区的结构像中分辨开间距仅为0.109 nm的Si和C原子柱; 随后按赝弱相位物体近似像衬理论, 分析像衬随晶体厚度的变化规律, 辨认出Si和C原子; 进而在原子水平上得出小角晶界附近两个复合位错的核心结构, 构建了结构模型并计算了模拟像. 实验像与模拟像的一致程度验证了结构模型的正确性. 于是, 在已知完整晶体结构的前提下, 仅从一帧实验高分辨像出发, 推演出原子的种类和位错核心的原子组态. 还讨论了3C-SiC 小角晶界的形成与晶界附近出现复合位错的关系.     

氢的强化刻蚀对金刚石薄膜品质的影响与sp2杂化碳原子的存在形态

用化学气相沉积方法制备了金刚石薄膜.在制备过程中，通过间歇式关闭甲烷气体，强化了氢对sp2杂化碳原子的刻蚀.用拉曼光谱和金相显微镜对薄膜进行了分析表征.结果表明，氢对sp2杂化碳原子的强化刻蚀并未影响金刚石薄膜的品质和微观结构.这一结论说明，在金刚石薄膜中，sp2杂化碳原子主要存在于金刚石晶粒表面和晶界碳原子之间,而不是以石墨或无定形碳颗粒为主要存在方式. 关键词： 化学气相沉积 金刚石薄膜 拉曼光谱 强化刻蚀     

冲击引起石墨→金刚石相转变机理的探讨

 通过对冲击引起石墨转变为金刚石两种相转变模型的比较和冲击波在疏松介质中传播特性的分析,研究了在冲击波阵面内形成热斑的机制和引起原子发生异常迁移的机制,进而探讨了在冲击波阵面内,在热斑区,石墨→金刚石的相变过程,以及卸载时金刚石的石墨化过程。     

拉丝成品模用生长型多晶金刚石

人造多晶金刚石是研制大颗粒人造金刚石的一种重要途径,它制作方便,易于直接成型.目前在高温高压下有两种研制方法:一是由石墨合成金刚石,再由金刚石微粉烧结成多晶金刚石,即烧结型多晶金刚石(也称烧结型聚晶);另一就是由石墨直接一次生长成多晶金刚石,即生长型多晶金刚石(也称生长型聚晶). 人造多晶金刚石已在机械、地质、冶金、石油工业中广泛应用.近几年在电线、电缆行业中,也开始以人造金刚石拉丝模代替天然金刚石拉丝模和硬质合金模。天然金刚石模价格贵,资源少.硬质合金模耐磨性差,使用寿命短.所以,人造多晶金刚石拉丝模有着广阔的应…     

碳同素异形体中的正电子理论

在密度函数理论的基础上,采用中性原子叠加模型和有限差分方法(SNA-FD)计算了石墨,金刚石和C60这三种碳的同素异形体中的正电子分布和湮没情况. 计算表明,在片层结构的石墨晶体中,正电子主要在石墨层间的空隙中湮没,计算出的石墨中的正电子寿命为208ps,与文献中的实验结果210ps符合很好. 在金刚石单晶中,正电子主要在碳原子之间的空隙中存在并发生湮没,计算出的金刚石中的正电子寿命为1159ps,与文献中的实验结果110ps相符合;在面心立方结构的C60晶体中,正电子主要在C60分子球壳内外侧及分子之 关键词： 石墨 金刚石 C60 正电子寿命     

金钢石的制备研究

本文研究了两种不同质异构体石墨—金刚石的转化条件，以及在实验室现有条件下，利用石墨材料制备金刚石颗粒的具体方法和试验结果。     

脉冲激光诱导液-固界面反应合成金刚石纳米晶中的结构相变模型

 探讨了脉冲激光诱导液-固界面反应法（PLIR: Pulsed-Iaser Induced Liquid-Solid Interface Reaction ）制备金刚石纳米晶的物理化学机制,提出了金刚石纳米晶的成核机理,即由激光诱导石墨六方结构原子团过渡到石墨菱方结构、然后转变成立方金刚石晶核,以及由石墨六方结构直接转变成六方金刚石结构的相变模型,并讨论了基于液-固界面反应的纳米晶生长动力学,较好地从动力学上解释了合成金刚石纳米晶的物理化学机制。     

硼/氮原子共注入金刚石的原子级研究

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了室温下500 eV的能量粒子硼(4个)和氮(8个)共注入金刚石晶体中晶体结构的变化特征和缺陷分布特征.结果表明：粒子注入金刚石后产生的空位比间隙原子更靠近晶体的近表层分布；间隙原子主要以四面体间隙(T形)和哑铃状分裂间隙的形式存在于晶体中，T形间隙结构更容易存在，并且大部分间隙原子富集在空位的周围；注入金刚石中的硼原子和氮原子有78%左右处于替代位置,硼、氮原子之间的键长比完整金刚石结构的键长短13%，硼氮原子成键有利于减少金刚石晶格的畸变程度.     

人造金刚石晶体生长机制的探讨

自然界中常见到的碳可分为金刚石晶型碳(如立方和六方金刚石)和非金刚石晶型碳(如石墨和无定形碳)等两种.人造金刚石就是通过外界条件如压力、温度等的变化,使非金刚石晶型碳转变成金刚石晶型碳. 人造金刚石的具体方法多达十余种,按晶体生长的特点可归纳为直接法、熔剂-触媒法和外延法等三种1).前两种方法是在金刚石稳定区实现的,后一种方法是在金刚石亚稳区进行的.图l[1,2]表示碳的P-T相图和三种方法人造金刚石的实验范围. 人造金刚石在实验室获得成功的可靠报导[3],至今已有十七年的历史,磨料级人造金刚石早已投入生产,优质大颗粒(多晶体…     

高压熔渗生长法制备金刚石聚晶中碳的转化机制研究

在6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内, 利用高压熔渗生长法制备了纯金刚石聚晶, 深入研究了高温高压下金刚石聚晶生长过程中碳的转化机制. 利用光学显微镜、X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜检测, 发现在熔渗过程中金刚石层出现了石墨化现象, 在烧结过程中金刚石颗粒表面形貌发生了变化. 根据实验现象分析, 在制备过程中存在三种碳的转化机制: 1)金属熔渗阶段金刚石颗粒表面石墨化产生石墨; 2)产生的石墨在烧结阶段很快转变为填充空隙的金刚石碳; 3)金刚石直接溶解在金属溶液中, 以金刚石形式在颗粒间析出, 填充空隙. 本文研究碳的转化机制为在高温高压金属溶剂法合成金刚石的条件下(6 GPa和1500 ℃的压力和温度范围内)工业批量化制备无添加剂、无空隙的纯金刚石聚晶提供了重要的理论指导.     

拉丝成品模用生长型多晶金刚石

天然多晶金刚石极其稀少,而人造大颗粒单晶金刚石的制备又很困难.这样,研制人造多晶金刚石就成为人们研制大颗粒人造金刚石的重要途径.与制备人造大颗粒单晶金刚石比较,人造多晶金刚石的制作工艺简单,易于成型,成本低.目前,在超高压、高温下研制人造多晶金刚石有两种方法:一种是由石墨加金属触媒合成出金刚石微粉,再由金刚石微粉加金属粘结剂烧结成多晶金刚石块.这种方法称为烧结法;另一种是石墨在触媒金属的作用下,一次快速生长成多晶金刚石,这种方法称为生长法.从表面上看生长法不需要经过两次高温、高压过程.但由于需要完成由石墨到金刚…     

单晶金刚石刀具后刀面沟槽磨损的石墨化生成过程分析（英文）

单晶金刚石刀具切削单晶硅时后刀面会发生剧烈沟槽磨损,严重影响零件加工质量和刀具寿命。为了从金刚石石墨化转变角度揭示沟槽磨损生长扩展机制,建立了金刚石刀具后刀面具有初始沟槽的分子动力学模型,模拟了切削单晶硅时初始沟槽处的工件材料流动行为与金刚石刀具晶体结构变化情况。结果表明,初始沟槽的存在改变了工件材料的流动状态;并且这种材料流动引起了刀具初始沟槽附近温度和能量的变化,温度升高了8%,势能提高了1.4%;通过分析金刚石刀具晶体结构发现,初始沟槽处的刀具材料发生了石墨化转变,并通过计算采样点处原子间键角,得到了石墨化转化率随着切削的进行不断升高,并最终趋于恒定的规律,当切削进入到稳定切削阶段时,石墨化转化率约为6%。     

单晶金刚石刀具后刀面沟槽磨损的石墨化生成过程分析

单晶金刚石刀具切削单晶硅时后刀面会发生剧烈沟槽磨损,严重影响零件加工质量和刀具寿命。为了从金刚石石墨化转变角度揭示沟槽磨损生长扩展机制,建立了金刚石刀具后刀面具有初始沟槽的分子动力学模型,模拟了切削单晶硅时初始沟槽处的工件材料流动行为与金刚石刀具晶体结构变化情况。结果表明,初始沟槽的存在改变了工件材料的流动状态;并且这种材料流动引起了刀具初始沟槽附近温度和能量的变化,温度升高了8%,势能提高了1.4%;通过分析金刚石刀具晶体结构发现,初始沟槽处的刀具材料发生了石墨化转变,并通过计算采样点处原子间键角,得到了石墨化转化率随着切削的进行不断升高,并最终趋于恒定的规律,当切削进入到稳定切削阶段时,石墨化转化率约为6%。     

超高压下碳结构的第一性原理研究

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA)方法计算了多种碳结构在超高压条件下的热力学稳定性及晶体结构性质.计算结果表明,碳结构的质量密度和基态能量与其对称性高低没有很强的依赖关系;在超高压条件下,随着压强的增加,热力学相对稳定的碳结构依次是石墨、金刚石、BC-8和SC碳结构,Clark等人所提出的R8结构并不是一种真正的高压稳定碳结构.     

单晶硅纳米切削中C–C键断裂对金刚石刀具磨损的影响

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅, 从刀具的弹塑性变形、C–C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析, 采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子. 模拟结果表明: 在纳米切削过程中, 金刚石刀具表层C–C键的断裂使其两端碳原子由sp³杂化转变为sp²杂化, 同时, 表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp²杂化碳原子所构成的区域发生平整, 由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构, 导致金刚石刀具发生磨损; 刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形, C–C键键能随之减弱, 在高温和高剪切应力的作用下, 极易发生断裂; 在切削刃的棱边上, 由于表面碳原子的配位严重不足, 断开较少的C–C键就可以使表面6 元环中碳原子的配位数都小于4, 导致金刚石刀具发生石墨化磨损.     

体心立方固溶体合金中的"团簇+连接原子"结构模型

为体现固溶体合金中的溶质原子产生的化学短程序,文章提出了配位数为14的团簇在体心立方(bcc)点阵中的堆垛模式,并建立了基于bcc结构的"团簇+连接原子"结构模型,用团簇成分式[团簇](连接原子)_x表述. 此模型中,与基体组元具有相对大的负混合焓的溶质原子占据团簇心部,其他原子作为连接或者替代团簇壳层基体原子. 1 ∶1结构模型[团簇](连接原子)₁由于最大程度地保证了团簇与连接原子的近邻,构成了连接原子最有效的合金化方式. 在两个实用bcc固溶体合金体系中, 1 ∶1模型指导设计了低V含量的储氢合金 V₁和低弹性模量高强度的 Nb₁合金. 关键词： 体心立方固溶体成分设计 "团簇+连接原子"结构模型 Ti-Cr-V合金 Ti-Zr-Mo-Nb合金     

关于晶体结构的几个概念

在一些固体物理学参考书中,不管是国内的[1,2,3],还是国外[4,5,6]出版的,一般都没有把描述晶体结构的数学抽象——点阵的概念和实际晶体中粒子所形成的空间分布明确地区分开来.这经常会带来不便甚至造成某些混乱.因此本文拟就这方面有关的问题提出一点看法,以使相应的概念更加严谨和明确. 为了描述晶体中粒子的空间排列(本文中只涉及理想晶体),人们引入了点阵的概念.这是实际晶体结构的数学抽象,是一种空间几何构图.它突出了晶体结构中粒子排列的周期性这一基本特点.因此,在谈及晶体结构时是离不开它的.但只有它,而无构成晶体的物理实体——…