对Fe-Ni-B催化剂合成的金刚石中含硼包裹物的研究

本文以自制的Fe基含硼合金作催化剂,石墨片作碳源,压力和温度分别为5.3GPa和1570K条件下,在六面顶压机上合成了0.6mm左右的含硼金刚石晶体.利用X射线衍射仪(XRD)分析了金刚石晶体的结构,证明金刚石是六方结构的.在光学显微镜下观察了金刚石的晶形,利用透射电子显微镜(TEM)和能谱仪(EDS)对金刚石晶体进行了微观分析,发现了多种含硼包裹物,包括(Fe,Ni)23(C,B)6,(Fe,Ni)3(C,B),(Fe,Ni)B,(Fe,Ni)2B,Ni3B,B4C等.研究了它们的化学组成与微观结构,并分析了含硼包裹物的来源与形成过程.结合金刚石的生长过程分析认为,合金触媒是金刚石中包裹物元素的主要来源,通过调整触媒的成份和含量可以控制金刚石内杂质元素的种类.硼元素在金刚石中既可以以化合物的形式存在,也可以替代碳原子存在于金刚石内.     

金刚石单晶合成工艺与铁基触媒中初生Fe3C形貌的关系

利用光学显微镜和X射线衍射等手段,表征了高温高压下合成金刚石单晶时不同合成工艺的铁基触媒合金组织结构.结果发现:金刚石合成效果较好时的触媒组织中Fe3C呈规则的条状,而合成效果不好时的触媒组织中局部出现了不规则的团絮状Fe3C.分析认为,Fe3C在不同的结晶条件下表现出不同的生长行为,高温高压下金刚石单晶的生长与触媒中Fe3C的生长行为有密切关系.     

用FeNiMn55#粉末触媒合成工业金刚石

利用FeNiMn55#粉末触媒在国产六面顶压机上进行工业金刚石单晶的合成,研究高温高压条件下(5.7 Gpa,1400～1600 ℃),C-FeNiMn55#粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性.结果表明,C-FeNiMn55#系能够合成出六-八面体及八面体金刚石,但六面体金刚石生长区间较窄,不易生长.通过光学显微镜观测表明,合成出的金刚石单晶呈黄色,晶形完整,晶体内部有气泡产生.M(o)ssbauer测试结果表明金刚石中包裹体的主要成分为Fe3C和FeNiMn55#合金.     

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.     

高温高压下人造金刚石过程的热力学分析——相平衡信息及其应用

借助Fe-C二元系在5.7 GPa高压下等压相图提供的有关相平衡信息,以及石墨相Gra.和液相Liq.之间的介稳平衡信息,主要对以Fe作溶剂,以石墨为碳源,在高温高压下获得人造金刚石的主要工艺进行了热力学分析.分析结果显示:在Dia.+Liq.两相平衡区里引入石墨相,则引发Gra.→Dia.+Liq.析液反应过冷转变.这种转变是以三相定态反应链模式实现的.这种模式可以是等温的,亦可以呈一定温度梯度,分别对现行的一次性形核长大工艺和温度梯度法由籽晶/籽晶群同质外延工艺进行热力学分析和评述,并给出转变的指向和限度.分析结果还表明:在三相定态反应链模式下,人们通常所谓的包裹物都是液相卸压降温后的转变产物.本文的分析方法也适用于Fe-C体系、Ni-C体系和Fe: Ni成分比约为5:5～7:3范围内的Fe-Ni-C体系.     

金刚石单晶合成效果与合成后铁基触媒组织的相关性研究

采用粉末冶金法制备铁基触媒片,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶.利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征了不同成分的触媒以及同一触媒在不同合成时间条件下金刚石单晶的合成质量和合成后的铁基触媒组织.结果表明:当金刚石单晶合成质量较好时,合成后铁基触媒组织特征表现为初生板条状渗碳体分布较均匀,呈平行生长的条束,渗碳体的板条两边缘较平直,而且数量较多.触媒成分和合成时间是影响铁基触媒组织中初生渗碳体的数量和形态的主要因素.     

铁基触媒中金刚石单晶的生长对初生渗碳体的消耗

利用扫描电子显微镜观察了不同合成时间的金刚石合成效果以及相应触媒的组织结构,结果表明:随着压力、温度的升高,铁基触媒全部熔化为液态后约20秒内,熔体对碳的溶解度可达到极大的过饱和程度,生成数量极大的初生渗碳体,同时,金刚石单晶在这种环境中生成。随着时间的延长,金刚石单晶长大、数量增多,熔体对碳的过饱和程度逐渐降低。触媒组织中的初生渗碳体量逐渐减少。分析表明:石墨碳与触媒首先发生冶金反应生成初生渗碳体,在高温高压作用下,初生渗碳体分解,碳原子脱溶,然后堆积到金刚石上。金刚石的生长通过对初生渗碳体的消耗得以进行。     

高温高压下高氮浓度金刚石大单晶的合成与研究

高温高压条件下,通过在Fe64Ni36-C合成体系中添加含氮化合物Ba(N3)2和羰基镍粉(carbonyl nickel)两种方式分别合成了高氮浓度金刚石大单晶.使用傅立叶红外光谱测试(FTIR)分别对所合成的金刚石大单晶进行了测试.对金刚石大单晶样品中氮的存在形式行了分析,并对晶体中的氮浓度进行了定量计算,进而对高氮浓度金刚石大单晶中A心氮原子对的形成机理进行了讨论.     

NH4 HB4 O7·3H2 O为硼源添加剂高温高压合成金刚石研究

为了研究金刚石中硼元素含量对合成金刚石的颜色与热稳定性的影响.以石墨粉体和Fe70Ni30合金触媒为原料,NH4HB4O7·3H2O为硼源添加剂,采用静态高温高压技术合成出金刚石.利用体视显微镜观察合成金刚石 的颜色;AES检测金刚石中B元素的含量;TG-DSC进行热稳定性分析.结果表明:合成金刚石的初始氧化温度均超过837℃,最高达到917.8℃;1200℃时热失重率在59;～96;之间,放热峰值在893～1144 ℃之间;随着硼元素含量的增加,合成金刚石的颜色由淡黄色逐渐向黑色转变,热稳定性提高.     

在石墨-Ni70Mn25Co5体系中金刚石生长的活化能与表面能的确定

针对国内作为生产锯片级金刚石而普遍采用的石墨-Ni70Mn25Co5反应体系,研究了在一定的高温高压条件下金刚石的成核速率和生长速率.用石墨-金刚石转变的成核与生长动力学理论确定了在5.2GPa压力和1520K的温度下金刚石生长的活化能和表面能分别为3.77eV和0.005eV.比较表明,在石墨-Ni70Mn25Co5体系中金刚石生长的活化能和界面能的大小与国外报道的其它石墨-触媒体系的相关数据有相同的量级.进而评论了金刚石的合成机理.     

断续磨削加工聚晶金刚石的机理研究

分别采用超声振动冲击和脉冲激光加热技术对开槽金刚石砂轮断续磨削加工聚晶金刚石过程中的机械冲击和热冲击进行了模拟实验研究.研究结果表明,在断续磨削加工过程中,由于开槽砂轮和工件之间接触面积变化引起的磨削力周期性变化,有利于聚晶金刚石材料加工表面上的晶粒产生脆性微细破碎去除;由于开槽砂轮和工件之间接触面积变化引起的热冲击,有利于聚晶金刚石材料加工表面上的晶粒产生微细裂纹和疲劳破碎.实验结果表明,开槽金刚石砂轮磨块切入部分的磨粒以破碎损耗为主,磨块切出部分的磨粒以机械磨耗、氧化、石墨化损耗为主.     

自支撑金刚石厚膜表面外延掺硼金刚石薄膜研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),在抛光厚度0.5 mm的高热导率自支撑金刚石厚膜表面沉积厚度10 μm掺硼金刚石薄膜,通过热导率测试仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱、X射线光电子能谱以及四探针仪等测试手段对材料的热导率、形貌及微观质量、表面键合状态及导电性能等进行分析.结果表明,优化工艺后在自支撑金刚石厚膜表面外延形成了质量优异,结合力佳的掺硼金刚石薄膜,其电阻率最低为1.7 ×102 Ω·cm.同时,鉴于界面同质外延特性以及大尺寸晶粒特点,整体材料的热导率可高达1750 W/(m·K),显示这种层状复合材料良好的整体导热性能及表面导电性能.     

PDC材料烧结中钴在金刚石层中的扩散熔渗迁移过程研究

对不同烧结阶段快速冷却固化的PDC实验样品金刚石层中钴的线分布(EDX)分析结果表明,PDC材料烧结中钴在金刚石层中的运动过程经历了三个基本阶段:(1)钴固相扩散;(2)钴液熔渗;(3)两次钴高浓度峰在金刚石层中的"波浪"式迁移过程.其中第一次钴高浓度峰与金刚石聚晶结构形成密切相关;而第二次钴高浓度峰则与聚晶晶粒异常长大密切相关.钴在金刚石层中的"波浪"式迁移过程是由金刚石-钴系统中金刚石溶解再结晶生长过程造成的,在这一过程中温度梯度grad T和碳浓度差ΔC是钴峰"波浪"式迁移的直接驱动力.     

人造金刚石的微观结构模型

将静态超高压高温合成的人造金刚石晶粒利用RTO包埋法制备成适合TEM观察的样品,发现这些金刚石晶粒是由多根细长的纳米多晶棒沿一定取向规则地以捆束状堆叠、聚集而成,而这些纳米多晶棒之间填充了无定型碳.也就是说,人造金刚石晶粒是由结晶碳素和无定型碳组成的.由此,提出并绘制了人造金刚石晶粒的微观结构模型示意图,可用于解释人造金刚石的各向异性及其他宏观性能特征.在以上结论的基础上,笔者认为业界经常提及的“单晶”金刚石称谓可能并不严谨,可能并不是纯粹由结晶金刚石材料组成.     

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望.详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理.研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导.分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积.在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展.通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展.最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景.     

人造金刚石金属包膜研究进展

对高温高压下合成金刚石形成的金属包膜的深入研究具有重要意义,有可能是揭示金刚石合成机理的     

钻石切工溯源方法的研究

首先加工了一套仿钻石样品,通过送检到可溯源到国家基准的计量检定部门测试,用其测试结果验证比例仪的结果可靠性,达到间接溯源的目的.并对测试结果的不确定度进行详细计算.实验表明该方法简便可行,成本也较低.进而形成了一种用于钻石切工溯源的方法,并制定了标准指导溯源工作.使钻石切工分级真正统一到国家基标准.     

硼掺杂金刚石薄膜研究

硼掺杂是改善金刚石薄膜电阻率的有效手段,被认为是将金刚石薄膜用于制备电化学电极的途径.本文通过CVD法在单晶硅片上制得掺硼金刚石薄膜(BDD),并采用四点探针、扫描电镜、激光拉曼和电化学工作站对之进行检测,发现随着硼掺入量的增加,薄膜电阻率逐渐降低,重掺杂时可达2.0×10-3Ω·cm.同时金刚石薄膜的固有质量出现恶化,表现为金刚石晶粒的碎化以及拉曼观察到的薄膜内应力的增加和非金刚石峰的出现.对薄膜电极进行电化学测量发现BDD电极在酸性溶液中具有非常宽的电位窗口和高的阳极极化电位,且背景电流极低.     

金刚石工具胎体性能的弱化问题研究

本文研究了金刚石工具胎体材料的性能"弱化"问题.提出了"弱化"胎体材料的某些性能,对于提高工具切割使用性能是一种有效方法."弱化"的效果和"弱化"的程度可以分别用切割指数Z和耐磨性失重Δm来表怔.建立了切割指数Z与胎体耐磨性失重Δm之间的关系,将"弱化"的设计思想具体化和实用化.     

对触媒熔剂法金刚石生长的再认识(Ⅰ)——金刚石晶体生长的准稳定区

本文根据溶液晶体生长理论与实践,认定在金刚石结晶V形区域内存在着晶体生长准稳定区.熔剂-碳二元共熔体系处于准稳定的过饱和溶液中,准稳定的过饱和度是金刚石晶体生长的驱动力.提出了设计合理的加热组装结构、建立金刚石生长适宜压力场、温度场的必要条件,以保证在准稳定的过压度驱动下生长出晶形完整的优质金刚石.