添加籽晶对合成立方氮化硼单晶的影响

采用Li3N、Ca3N2作为触媒,在高温高压(HPHT)条件下合成立方氮化硼(cBN)单晶,合成过程中通过加入籽晶的方式获得cBN单晶.通过改变籽晶的加入量和粒度,研究籽晶对合成cBN单晶产量的转化率、大颗粒单晶(30/50目)比例以及单晶静压强度等性能的影响;利用扫描电子显微镜对在不同条件下合成出的单晶颗粒形貌进行观察和对比.结果表明,在HPHT下,添加3wt‰的270/325目的籽晶合成出的cBN单晶尺寸为0.5mm左右,且cBN单晶晶形规则,晶面多为(111)和(110)面,缺陷较少;30/50目的cBN单晶的静压强度为44.5 ～48.2 N;合成cBN单晶的粒度整体提高.在Li3 N-hBN体系中,添加270/325目籽晶合成cBN单晶产量的转化率为45.5;;添加100/120目的籽晶合成cBN单晶的大颗粒单晶(30/50目)的转化率达60.3;.在Ca3N2-hBN体系中合成cBN单晶的效果较差一些.     

高温高压下cBN单晶转变机理的EET理论分析

使用ab从头算原理计算了六方氮化硼(hBN)和立方氮化硼(cBN)在cBN单晶合成温度和压强下(1800 K,5.0 GPa)的晶格常数.通过EET理论构建了hBN和cBN的共价电子结构,并计算出九组hBN和cBN单晶的不同低指数晶面之间在高温高压下的相对共价电子密度.根据TFDC理论分析判断,发现hBN的(110)与cBN的(110)、hBN的(100)与cBN的(100)分别连续,两组晶面组合的相对共价电子密度差均小于＜10;.这表明:这两组hBN/cBN晶面之间的价电子结构相差不大,可以诱使hBN直接转变为cBN.因此本文认为:从价电子结构的角度分析,高温高压下的cBN单晶极有可能是由hBN直接转变而来的.     

Analysis of Transition Mechanism of Cubic Boron Nitride Single Crystals under High Pressure-High Temperature with Valence Electron Structure Calculation

The possibilities of hexagonal boron nitride(hBN) and lithium boron nitride(Li_3BN_2) transition into cubic boron nitride(cBN) under synthetic pressure 5.0 GPa and synthetic temperature 1700 K are analyzed with the use of the empirical electron theory of solids and molecules. The relative differences in electron density are calculated for dozens of bi-phase interfaces hBN/cBN, Li_3BN_2/cBN. These relative differences of hBN/cBN are in good agreement with the first order of approximation(10%), while those of Li_3BN_2/cBN are much greater than 10%.This analysis suggests that Li_3BN_2 is impossible to be intermediate phase but is a catalyst and cBN should be directly transformed by hBN.     

Li3N触媒粒度对立方氮化硼单晶合成效果的影响

在压力4.5 ～5.3 GPa,温度1350 ～ 1500℃条件下,分别以不同粒度的Li3N粉末作为触媒,采用高温高压触媒法合成了立方氮化硼(cBN)单晶.研究了Li3N触媒粒度对cBN单晶合成效果的影响,对得到的cBN单晶的产量、转化率、大晶粒含量和抗压强度等待性进行了检测对比.结果表明,当Li3N触媒的粒度为80～ 100 μm时,在高温高压下可以合成出大晶粒含量高、抗压强度高、生长完善且晶形完整度较高的cBN单晶;当Li3N触媒的粒度为60～ 80 μm时,在高温高压下合成出的cBN单晶产量和转化率较高.     

三种氮化物触媒原料的cBN单晶合成效果

在压力4.2～5.5 GPa、温度1350 ～ 1540℃条件下,分别采用Li3N、Ca3 N2、Mg3N2三种氮化物粉末作为触媒合成出了cBN单晶;研究了三种触媒的cBN单晶合成效果,对得到的cBN单晶产量和转化率、粒度分布、抗压强度和表面形貌等进行了表征和对比,并讨论了三种触媒合成cBN单晶的经济性及其应用.结果表明,采用Li3N触媒合成出的cBN单晶,产量和转化率高,单晶粒度大,抗压强度高,晶体生长完善,生长缺陷少,但Li3N触媒价格昂贵,适用于工业化生产高品级cBN大单晶;采用Ca3N2触媒合成出的cBN单晶虽然其产量和转化率低,粒度较小,但生长较为完善,表面缺陷较少,同时Ca3N2触媒价格便宜,适用于工业化生产高品级的cBN小单晶;采用Mg3N2触媒合成出的cBN单晶产量和转化率居中,单晶粒度小,晶体表面粗糙,存在较多生长缺陷,但Mg3N2触媒价格低廉,可大大降低cBN单晶的生产成本,适用于工业化生产较低品级的cBN单晶和微粉.