金刚石、碳纳米管、碳纳米管/纳米金刚石复合物的制备及生长机制研究

采用PECVD技术,通过对基片使用不同的预处理方法和沉积参数,合成了金刚石、碳纳米管及碳纳米管/纳米金刚石复合物.利用SEM,TEM,拉曼光谱对样品的形貌、成分和结构进行了研究.结果表明,在制备样品的过程中,基片的预处理方法和CH4/H2流量比至关重要,它们将影响所制得样品的晶粒大小、形核密度以及微观结构.     

等离子体诱导碳纳米管到纳米金刚石的相变

采用氢等离子体，实现了碳纳米管向金刚石的结构相变，并实现了金刚石的高密度成核，有效成核密度可达10\+\{11\}／cm\+2以上，处于目前金刚石成核密度的最高行列，为制备优质的金刚石薄膜提供了保证.高分辨透射电镜、x射线衍射和拉曼光谱都证实了金刚石的形成.同时，对纳米金刚石晶粒的生成机理进行了初步探讨. 关键词： 等离子体 碳纳米管 纳米金刚石 结构相变     

低频加热合成金刚石的时间温场

 在高温高压下合成金刚石，工频加热与低频加热合成效果不同。工频加热是向腔体恒热量输入，在腔体中形成空间温场；低频加热是脉冲式向腔体输入热量，在腔体中既形成空间温场又形成时间温场。用时间温场解释了一些实验现象和结果。     

从碳化硅和铁体系合成金刚石

 为了探明从SiC生成金刚石这一过程中触媒作用的机理，有必要调查SiC加不同金属在高压高温下的行为。在本工作中，以16重量比混合的SiC和铁粉经5.4~6.0 GPa的高压力和1 300~1 500 ℃的高温处理20 min后，样品的X射线衍射分析表明：所有实验条件下SiC都发生了分解，并分别生成了Fe₃Si和Fe₃C；温度越高，SiC分解得越彻底，在温度高于1 375 ℃的样品中，伴随Fe₃C减少，有金刚石和石墨明显析出。扫描电镜观察表明：6.0 GPa、1 500 ℃下所得的金刚石晶体具有完整的八面体晶形，平均粒度约50 μm。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石的研究

 以工业纯单质铁粉和单质镍粉为主要原料,采用粉末冶金方法制备了Fe-Ni-C系反应体系,在六面顶压机上进行了金刚石合成实验。Raman光谱和X射线衍射结果表明,采用这种方法获得的粒径为200~500 μm,呈六-八面体聚形的晶体为立方金刚石单晶。通过对常规力学性能的检测发现,金刚石的品位较高,超过SMD25级锯片级金刚石的要求。分析认为,高温高压下金刚石自Fe-Ni-C系形核是一个触媒不断溶解催化碳原子的过程。大量的实验结果可以证实,金刚石在Fe-Ni-C系长大所需的碳原子来自于在γ-(Fe,Ni)吸引作用下、从(Fe,Ni)₃C中不断脱溶的碳。金属包覆膜在这一过程中不但起到了输送碳原子的作用,还以独特的方式促成了碳原子由sp²π杂化态向sp³杂化态的转变。     

高温高压法人造金刚石合成中工艺曲线的确定

以SPD6×2000型六面顶压机为合成设备,在高温高压条件下确定了合成金刚石的最低成核压力.采用合理的二次升压工艺方法,在暂停油压86MPa,生长油压94MPa,合成功率3500W的条件下成功地减少了劣晶的生成,合成出了晶型完整、表面平整的优质金刚石单晶.结果表明在最低成核压力点下对石墨进行再结晶的处理对合成高品级金刚石是完全必要的.     

对电弧放电制备的离散碳纳米管进行了高温氧化的研究

用改进的电弧放电方法制备了大量离散分布的碳纳 ，对此种碳纳米管样品在空气中进行了高温氧化处理，研究表明此种碳纳米管能够在较高温度和较长时间的氧化处理后仍能保存下来，离散分布的碳纳米管可在一定程度上减少其结构中的缺陷和不完整性，因而提高了纳在氧化处理过程中的稳定性，这一观点得到了Ｒａｍａｎ研究结果的支持。     

高温高压下多环有机物合成亚微米金刚石

亚微米尺寸的金刚石粉末对超精细研磨抛光而言是非常理想的磨料,但高品质亚微米尺寸金刚石粉末的合成与制备到目前为止仍面临着许多的困难和挑战。在避免使用金属触媒的情况下,以萘为前驱体在11 GPa压强、1 700℃的温度条件下成功合成了高品质亚微米尺寸的金刚石粉末。所合成的金刚石粉末具有比较高的相纯度,金刚石晶粒普遍都是晶体形态发育良好且相互独立彼此分散的自形晶。晶粒粒度的频率分布属于正偏态分布,相应的平均值、中数及众数分别为158. 1,221. 5,262. 5 nm。对数正态分布拟合中,晶粒粒度的期望值和标准偏差分别为(243. 3±4. 2) nm和(122. 3±5. 4) nm。将近96%的晶粒都分布在亚微米尺寸范围内。本工作将为高品质亚微米尺寸金刚石粉末的合成与制备提供有效途径。     

用石蜡作碳源在高温高压下合成金刚石

用石蜡作炭源，从原子分子转化的角度，选择适当的氧化剂、触媒和组装方式，在高温高压下合成出了０．３ｍｍ大小的金刚石。     

碳纳米管/金刚石复合材料的场发射特性

采用微波烧结方法制备了碳纳米管/金刚石复合材料。将碳纳米管和纳米金刚石粉末混合后研磨压片,然后在微波等离子气相沉积系统中采用微波烧结。利用扫描电镜对复合材料的表面形貌和微观结构进行了分析,结果显示碳纳米管比较均匀地分散于复合材料中,并在表面形成了发射微尖。利用二极管结构在动态真空室中对复合材料的场发射特性进行了研究,复合材料有较好的场发射特性,电流密度接近15mA/cm2。     

高温高压条件下富勒碳的相变

 利用工业金刚石高压合成装置研究了C60和巴基管在高温（1 450 ℃）高压（5~6 GPa）下的相变。SEM、XRD和Uv/Vis分析结果表明，试样中有大量金刚石生成和少量石墨出现，同时有极少部分C60保留了下来；所生成的金刚石晶体同时以二维台阶和螺旋台阶方式生长。     

高温高压条件下石墨的再结晶与金刚石单晶的生长

 用电子显微镜观察到了在高温高压条件下再结晶石墨的形状随温度变化而改变的规律。实验表明：从石墨向金刚石的转变，与石墨在催化剂——溶剂合金中的再结晶状态有关，类球形再结晶石墨是转变成金刚石小单元的基础。金刚石晶体的不同形态及其多样化的表面结构表明金刚石单晶的生长具有比较复杂的过程。研究了具有一定规则形状由类球形再结晶石墨晶粒组成的聚合体，这种聚合体将在适当温度压力下转变成金刚石颗粒。本研究给出了生长粗颗粒、晶形完整的金刚石单晶的原则办法。     

高温高压下纳米金刚石粉的特性研究

 研究了炸药爆轰合成的纳米金刚石粉在高温（约1 600 K）、高压（5.2 GPa）条件下的行为。将纳米金刚石粉与粉末合金（Ni₇₀Mn₂₅Co₅、100^#）混合、压制成圆片,与合金片 （Ni₇₀Mn₂₅Co₅）和人造石墨片一起交替放入高温高压合成腔体内,进行高温高压实验。实验结果表明：在高温高压条件下,纳米金刚石粉不能长大,反而石墨化了;在相同的高压和保温时间条件下,随着温度的降低,纳米金刚石粉的石墨化程度减弱,纳米金刚石粉的纳米颗粒长大,可长成0.1 mm尺寸的金刚石颗粒（温度为1 070 K左右）。而在此条件下,人造石墨不能合成金刚石,一般金刚石晶体要变成石墨相。这进一步表明,纳米金刚石颗粒表面的活性使得它可以在较低的温度下长成较大颗粒的金刚石。     

材料动力损伤的相似性

 从理论上推导了材料中空洞分布函数，阐明两种材料，Fe和Ta样品，受不同飞片速度冲击后，其空洞分布的相似性。从文献[5]中又发现，脆性材料的裂纹分布也具有同样的相似性，这说明理论分布函数可能具有普遍性。最后提出了这种性质的广阔应用前景。     

高温高压下碳的状态方程及相变理论研究

 研究了高温高压下三相碳（石墨、金刚石、液相碳）的状态方程，包括高压下石墨到金刚石的固-固相变以及高温下石墨和金刚石的熔解曲线。计算所得到的金刚石熔解曲线具有正的斜率，石墨-金刚石-液相三相点为4 400 K，14 GPa左右。     

高温高压下B4C合成金刚石的研究

 压力为5.7~6.0 GPa及1 370~1 500 ℃温度范围内，B₄C在Ni₇₀Mn₂₅Co₅系统中，高压相变为金刚石。合成的金刚石为深黑色，含硼量大于1wt%。粒度为20 μm左右，晶形多为立方体与八面体的各种聚形。反应后的金属触媒中，存在Ni₂B等硼化物；非金属残留物中，存在B₁₃C₂等高硼碳化物。     

富硼稀土硼化物NdB6的高温高压合成

 提出了一种在高温高压极端条件下合成富硼稀土硼化物NdB₆的新方法，即以稀土氧化物Nd₂O₃为钕源与单质硼反应的方法获得了稀土六硼化物NdB₆。并对合成产物进行了粉末X射线衍射分析。结果表明在配比为Nd：B＝1：6时，压力为4.0 GPa、温度为1 600 ℃、反应时间为15 min的条件下，获得了单相性非常好的NdB₆。高温高压合成NdB₆方法具有反应条件易达到、合成时间短、反应产物单相性好等优点。其XRD结果表明该合成产物为立方结构，晶格常数为a＝0.417 nm。     

高温高压下氮化镓陶瓷体的制备

 在高温高压条件下，实验成功实现了氮化镓的烧结。首次将氨压应用到陶瓷体的烧结中，解决了GaN的分解、原料中残余的氧化物等问题，提高了烧结体的结晶度。研究了在氨压条件下温度对烧结致密度的影响。     

金刚石生长的高压溶剂中碳的输运及其影响

 实验证实，在金刚石生长的高温超高压溶剂中，碳原子通过溶解扩散而输运，并清楚地看到在溶剂中也有对流现象。而宏观的对流现象的存在及其对金刚石生长的影响是不可忽视的。     

高压下碳纳米管的X射线衍射研究

 用同步辐射原位高压能散X射线衍射技术,对碳纳米管进行了结构和物性的研究,压力达50.7 GPa。在室温常压下,碳纳米管的结构和石墨的hcp结构相似,其(002)衍射线的面间距为d₀₀₂=0.340 4 nm,(100)衍射线的面间距为d₁₀₀=0.211 6 nm。从高压X射线衍射实验看到,当压力升到8 GPa以上时,(002)线变宽变弱,碳纳米管部分非晶化。而当压力从10 GPa或20 GPa卸压至零时,(002)线部分恢复。但当压力升高至最高压力50.7 GPa时,碳纳米管完全非晶化,而且这个非晶化相变是不可逆的。用Birch-Murnaghan方程拟合实验数据,得到体弹模量为K₀=(54.3±3.2)GPa（当K′₀=4.0时）。