FeMn粉末触媒对合成金刚石的影响

 利用FeMn粉末触媒在国产六面顶压机上进行了合成金刚石单晶的实验,研究了高温高压条件下（5.7 GPa、1 550 ℃）,石墨-FeMn粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性。通过光学成像显微镜观测表明：合成出的金刚石单晶呈浅黄色,晶形完整,且都是八面体,晶体里含有白色物质,粒度集中在0.3~0.5 mm;通过扫描电镜观测了晶体的表面形貌,表面有熔坑;通过穆斯堡尔谱,发现粉末触媒里主要是FeMn合金和独立状态的Fe,金刚石内部主要是Fe和Fe₃C;利用X射线荧光光谱,检测出样品里有Fe和Mn元素。     

纯铁触媒合成磨料级金刚石及表征

本文报道了高温高压下纯铁触媒与石墨体系合成磨料级金刚石的过程,并给出了P-T相图.在此基础上,通过调整工艺参数,控制再结晶石墨量与金刚石生长速度,合成出无色透明的金刚石样品,解决了纯铁触媒合成的金刚石透明度较差及包裹体较多的问题.采用穆斯堡尔谱仪和傅里叶红外光谱仪等测试手段,对金刚石样品内部包裹体以及氮元素含量进行了表征,在揭示包裹体形成机理的基础上提出了减少包裹体的方法,同时阐明了纯铁触媒合成的金刚石样品颜色变浅的原因. 关键词： 铁触媒 金刚石 生长速度 高温高压     

人造金刚石合成中黑色低磁金刚石的研究

 通过对合成金刚石的原材料和合成产物——石墨、Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒、普通人造金刚石、黑色人造金刚石、NiMnCoC熔体的磁化率测试,以及对黑色人造金刚石和普通人造金刚石破碎断面扫描电镜的对比分析,认为黑色人造金刚石形成低磁性的原因是由于合成过程中温度偏高、压力偏低,生长的金刚石质量差、裂纹多。晶体内夹杂了很多石墨与触媒包裹体,同时金刚石表面与金刚石晶体内的触媒包裹体之间形成贯穿性的裂纹。在金刚石化学提纯处理过程中,金刚石晶体内的铁磁性触媒包裹体杂质被通过裂纹进入的酸除去。因而在检测金刚石磁性时,黑色金刚石的磁性很小,呈弱磁性。     

高长径比柱状金刚石的高温高压合成与机理研究

为了拓展金刚石的种类和解决金刚石工具使用过程中因把持力不足造成的使用寿命降低等, 在中国式六面顶压机上, 通过对FeNi触媒成分和工艺的优化, 成功合成出高质量长径比大于2.5, 平均粒度在0.8—1.0 mm的柱状金刚石晶体. 该晶体独特的形貌, 将极大改善金刚石工具的在使用过程中出现的"脱粒"现象. 另外, 实验中发现, 柱状金刚石晶体的生长速度也远大于传统晶体的生长速度. 采用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等手段对柱状金刚石晶体及晶体周围触媒成分进行了表征; 结果表明, 柱状金刚石晶体在生长过程中存在{100}和{111}晶面拉长, 以及包覆在晶体周围的触媒成分偏析. 在此基础上, 阐明了柱状晶体生长机理.     

硼掺入量对含硼金刚石单晶热稳定性的影响

 在铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼,采用粉末冶金方法制备片状触媒,在六面顶压机上合成出含硼金刚石单晶。用体视显微镜对金刚石单晶的结构、形貌进行观察,并用电子探针（EPMA）和波谱仪（WDS）分析了金刚石（111）晶面的硼含量,发现金刚石表面有硼元素存在,且其含量随着触媒中掺硼量的增加而变化。在测定了含硼金刚石单晶的静压强度的基础上,采用冲击韧性测定仪和差热分析仪对不同掺硼量触媒合成出的金刚石单晶在空气中的热稳定性进行了系统的对比研究。结果表明,触媒掺硼量对金刚石的机械强度和热稳定性有重要影响,随着掺硼量的变化,其机械强度和热稳定性均存在一个最佳值。     

利用国产30MN两面顶压机开发高品级金刚石的研究

在25MN合成工艺的基础上成功开发出30MN金刚石合成工艺。30MN合成工艺的成功将有助于提高金刚石质量，开发附加值更高的超硬材料产品。30MN两面顶压机合成工艺研究包含片状触媒合成工艺研究和粉末触媒合成工艺研究两个方面。片状触媒合成工艺研究进行了传压密封介质研究和优化腔体结构的研究，为了提高密封压力，在密封碗里增加内摩擦系数大的材料，解决了合成的可靠性，使30MN片状触媒合成工艺水平实现了单产80～90克拉，高品级金刚石的所占比率达到40％，其性能见表1。     

Ni-Mn粉末触媒中固溶碳的作用效果和机理初探

 在国产DS6×800A型六面顶压机上，对比研究了含与不含固溶碳的Ni-Mn粉末触媒，采用直热式静压触媒法合成金刚石的差异。实验表明：Ni-Mn粉末触媒中固溶碳的存在，不仅可以提高金刚石的合成单产、细化金刚石晶粒，而且在同工艺条件下，能得到晶形完整度较高的金刚石单晶。     

高温高压触媒法金刚石生长的热力学分析

 利用热力学中经典的ΔG<0判定法,探讨了Fe基触媒合成金刚石晶体生长中的碳源问题,在计算中考虑了各物相的体积随温度和压力的变化。结果表明：在金刚石形成之前,就有大量Fe₃C形成,而在触媒法合成金刚石的温度和压力范围内,Fe₃C→C(金刚石)+3γ-Fe反应自由能和石墨→金刚石相变自由能均为负值,但前者比后者的绝对值更大,这说明前者更容易发生。因此,从热力学角度看,Fe₃C的形成降低了石墨转变为金刚石所要越过的势垒,使用Fe基触媒合成金刚石单晶的生长来源于Fe₃C的分解而不是石墨的直接转化。同时推导出在1200 K以上石墨-金刚石的平衡p-T关系：p_eq(GPa)=1.036+0.00236T (K),与F.P.Bundy的平衡线非常接近,证明了本热力学计算方法的可行性。     

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…     

过剩压晶种法生长金刚石过程中的浮力效应及其影响

 在合成金刚石的“过剩压晶种法”中,通过适当设计合成腔组装、晶种植种方式及位置、合成条件的选择,观察到在高温高压条件下,晶种在熔化金属触媒中上浮并生长的现象。这一现象是金属与金刚石比重不同而引起的。实验发现,晶种上浮现象与合成条件有密切的关系,适当高的温度与压力是必要的。浮力效应对过剩压晶种法中,金刚石的连聚晶形成及晶体形态,都有一定的影响。     

籽晶{100}面形状对高温高压合成金刚石大单晶的影响

选用不同形状的{100}金刚石籽晶面,以NiMnCo合金为触媒,利用温度梯度法在压力为5.5 GPa、温度为1260～1300℃的条件下,合成Ib型金刚石大单晶。通过光学显微镜和电子显微镜对晶体的形貌进行表征。研究发现,将合成籽晶的{100}晶面切割成不同形状,只会令晶体的长宽比发生改变,晶体并不会因籽晶形状的改变而偏离{100}晶体的正常形貌。晶体的合成质量受到籽晶长宽比的影响:在籽晶长宽比较小的情况下,晶体的合成质量能够得到保证;但当籽晶长宽比过大时,合成晶体的下表面出现较多缺陷。关于籽晶形状对晶体生长情况影响的研究,揭示了籽晶形状与合成晶体形貌之间的关系,有利于更深入理解晶体的生长过程和外延生长机理,对于今后合成不同形貌的金刚石具有借鉴意义。同时此项研究有助于扩大籽晶的选取范围,降低籽晶的选择难度,提升工业级金刚石的利用率,为合成金刚石大单晶的籽晶选取提供了技术支持。     

B4C与合金触媒体系合成金刚石的反应机理探讨

在总结由Ｂ４Ｃ加合金触媒体系中合成金刚石的有关实验的基础上，从Ｂ４Ｃ和合金触媒的结构入手，探讨了其形成金刚石的宏观（化学反应）和微观（原子分子）的机理过程，为Ｂ４Ｃ合成金刚石的继续研究提供了一个有益的尝试。     

温度梯度法宝石级金刚石的合成及表征

利用温度梯度法,在5．0—5．7GPa,1250---1600℃条件下,研究了FeNiMnCo触媒合成宝石级金刚石的温度和压力区间,给出了P-T相图．基于有限元法的温度场模拟及碳素浓度梯度拟合结果表明,I型温度场只适合生长大尺寸优质板状及小尺寸塔状金刚石单晶;II型温度场可以合成出大尺寸优质板状或塔状金刚石单晶．该结论被Ib型及掺硼宝石级金刚石晶体生长实验所证实．提出碳素浓度梯度是决定晶体生长速度及合成晶体品质的关键因素．研究得到了只有触媒中温度场分布与晶体尺寸、形貌相匹配时,才能合成出优质宝石级金刚石单晶的晶体生长规律．揭示了{110},和{113}高指数晶面在Ib型金刚石“V”形区内的分布规律．通过傅里叶红外光谱检测发现,FeNiMnCo触媒合成金刚石的氮含量较低,较低的氮含量是由铁会降低金刚石氮含量所致．氮含量低有利于金刚石的光谱透过性．     

单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,对单晶金刚石(100)晶面边缘进行精细切割抛光处理,形成偏离(100)晶面不同角度的倾斜面,在CH_4/H_2反应气体中进行同质外延生长,研究单晶金刚石边缘不同角度倾斜面对边缘金刚石外延生长的影响.实验结果表明,边缘倾斜面角度对边缘的单晶外延生长质量有影响,随着单晶金刚石边缘倾斜面角度的增大,边缘多晶金刚石数量先减少后增多,在倾斜角3.8°时边缘呈现完整的单晶外延生长特性.分析认为,边缘不同角度的倾斜面会改变周围电场强度和等离子体密度,导致到达衬底表面的含碳前驱物发生改变,倾斜面台阶表面的含碳前驱物浓度低于能形成层状台阶生长的临界浓度是减弱单晶金刚石生长过程中边缘效应的主要原因.     

彩色金刚石中过渡金属离子的谱学研究

过渡金属镍、钴和铁是高温高压法合成金刚石的常用触媒,已有研究表明：采用镍、钴作触媒所合成的金刚石中存在镍、钴离子,部分天然金刚石含有镍离子;镍、钴离子以替代方式或间隙形式进入金刚石的晶格,并能与杂质氮形成复合体。为了探寻彩色金刚石中过渡金属离子存在的谱学标志,确定镍、钴离子在彩色金刚石中的赋存状态,文章对6颗彩色天然与合成金刚石进行了扫描电镜-能谱、显微红外光谱、光致发光谱、电子顺磁共振谱(EPR)等测试研究。结果表明天然与合成的样品都具有与镍、钴有关的发光中心与EPR结构：包括西澳的蓝灰色天然金刚石中与镍有关的884.6 nm等发光中心,以及天然变色金刚石中与钴有关的发光中心。对各种谱学测试结果的综合分析,得出样品中存在镍、钴离子并与杂质氮形成各种Ni-N或Co-N复合体的结论,其中在天然金刚石中发现钴离子在该领域研究中尚属首次。     

D-D结合型金刚石聚晶的高压合成研究

 为了探索功能金刚石聚晶的高压合成，使其具有优异的透红外和散热性能，我们采取了提高合成压力、温度和尽量减少结合剂的办法进行试验。首先探索如何使合成的金刚石聚晶具有D-D型结合，然后尽量减少结合剂，以合成出高密度的D-D型金刚石聚晶。为了尽量减少结合剂含量，不用粉末混合法，而是分别采用7~14 μm和63~80 μm粒度的金刚石为原料，与纯Ni或Ni₇₀Mn₂₅Co₅合金为基底积层组装，通过高温高压下触媒金属向金刚石晶粒间渗透进行烧结生长。在6.3 GPa的压力和1 440~1 650 ℃的不同温度下分别保持3~40 min。所得到的金刚石聚晶在触媒金属渗透得充分的区域形成了D-D结合型结构，而没有发现碳化物生成及金刚石表面石墨化等现象。     

触媒组分对高温高压金刚石大单晶生长及裂纹缺陷的影响

本文利用六面顶压机,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用FeNiCo和NiMnCo触媒合金开展了金刚石大单晶的生长实验,系统地考察了触媒组分对金刚石单晶裂纹缺陷的影响.首先,通过对两种组分触媒晶体生长实验对比发现,金刚石大单晶裂纹缺陷出现的概率与触媒组分相关联.同NiMnCo触媒相比, FeNiCo触媒生长的金刚石单晶更容易出现生长裂纹.我们认为,这与FeNiCo触媒黏度高、流动性差、碳素输运能力差、生长中晶体比表面积大,进而导致其对生长条件稳定性的要求较高有关.其次,两种触媒极限增重速度和生长时间的关系曲线表明,相同生长时间条件下, NiMnCo触媒生长金刚石单晶的极限增重速度相对较大.再次,扫描电子显微镜测试结果表明,裂纹缺陷的出现与否同晶体表面平整度的高低无必然联系,表面平整度高的金刚石单晶内部也可能存在裂纹缺陷.最后,经对金刚石单晶傅里叶微区红外测试结果进行分析,得出了氮杂质含量的高低与金刚石单晶裂纹缺陷的出现与否无内在关联性的研究结论.     

金属包裹体的变化及对人造金刚石强度的影响

 当温度超过1 000 ℃时，人造金刚石中的金属触媒包裹体，在形态、结构和成份上都将发生改变，并且这种变化会在金刚石晶格内造成尺寸更大的缺陷区域，因此在表面氧化不起决定性作用的情况下，金属触媒包裹体的这种变化，就成了导致金刚石强度下降的最直接的原因。我们对在氩气保护下、不同温度处理的一系列人造金刚石样品进行了强度测量，并用SEM、X射线衍射及光学显微镜等手段观测了金刚石断裂表面上的包裹体及其形态变化。我们的实验结果证实了上述结论。我们还发现，金属触媒包裹体的存在极大地影响着金刚石的热稳定性，它们使金刚石在1 000 ℃左右即可向石墨转化。     

人造金刚石用触媒形状的新构想

 六面顶和两面顶高压装置都采用圆片状触媒。在同腔体的情况下，后者的单次产量比前者约高50%。介绍了触媒的表面性质和合成件加载过程的外力与变形的关系，并对触媒形状的变化关系与比表面问题作了评述。指出，增加石墨和触媒接触的比表面或反应面积，对于提高细颗粒单晶金刚石的转化率是一条重要途径。为此，提出一种新形状触媒——泡沫触媒的构想。     

氮氢共掺杂金刚石中氢的典型红外特征峰的表征

所有天然Ia型金刚石红外光谱中都存在3107 cm-1特征峰,而在金属触媒直接合成的金刚石红外光谱中没有检测出3107 cm-1特征峰.本文在6.3 GPa,1500?C条件下,通过Fe70Ni30触媒中添加P3N5直接合成出具有3107 cm-1特征峰的氮氢共掺杂的金刚石.红外光谱分析表明,合成的金刚石中氢有两种存在形式:一种对应着乙烯基团C=CH2中C—H键的伸缩振动(3107 cm-1)和弯曲振动(1450 cm-1)的吸收峰,另一种对应着sp3杂化C—H键的对称伸缩振动(2850 cm-1)和反对称伸缩振动(2920 cm-1)的吸收峰.通过分析发现,3107 cm-1吸收峰与金刚石中聚集态的氮原子有关,当金刚石中没有聚集态的氮元素时,即使氮含量高也不会出现3107 cm-1峰;并且2850和2920 cm-1附近的吸收峰比3107 cm-1附近的吸收峰更为普遍存在.这说明sp3杂化C—H键比乙烯基团的C—H键更广泛存在于金刚石中,从两者的峰值看,天然金刚石中的氢杂质主要以乙烯基团C=CH2存在.3107 cm-1吸收峰与聚集态的氮原子的这种存在关系为天然金刚石形成机制的研究提供了一种新思路,同时较低的合成条件也可能为氢与其他元素共掺杂合成具有n型半导体特性的金刚石提供一个较理想的合成环境.