用过剩压法生长金刚石过程中石墨再结晶现象的研究

描述了在过剩压驱动下金刚石晶种外延生长过程中，大量伴生的石墨再结晶现象，再结晶石墨抑制了金刚石的自发成核，它们分布于合成腔触媒金属的低温区，结晶数量多，晶粒片状分层，尺寸大，但出现乱层晶体结构，同时产生一定数量的无定形碳，分析认为，这与长时间的低过剩压驱动，触媒金属内有足够的碳源供给，并具备在高温高压下石墨分充结晶但又达不到完全石墨化条件有关，还讨论了在低过剩压驱动下，促进金刚石晶体外延生长的碳本     

用过剩压法生长金刚石过程石墨再结晶现象的研究

 描述了在过剩压驱动下金刚石晶种外延生过程中，大量伴生的石墨再结晶现象。再结晶石墨抑制了金刚石的自发成核；它们分布于合成腔触媒金属的低温区，结晶数量多，晶粒片状分层，尺寸大，但出现乱层晶体结构；同时产生一定数量的无定形碳。分析认为，这与长时间的低过剩压驱动，触媒金属内有足够的碳源供给，并具备在高温高压下石墨充分结晶但又达不到完全石墨化条件有关。还讨论了在低过剩压驱动下，促进金刚石晶体外延生长的碳源可能是活化的碳原子，而不是具有乱层结构特征的再结晶石墨。     

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.     

国产六面顶压机多晶种法合成宝石级金刚石单晶

对国产六面顶压机平台下使用多晶种法合成宝石级金刚石单晶进行了系统的研究. 通过合理调整温度梯度法的合成腔体组装, 采用多晶种法, 探索多晶种法金刚石合成的压力和温度区间, 在单个合成腔体内放置3–5颗金刚石晶种, 成功合成出多颗(3–5)优质Ib型宝石级金刚石单晶. 多颗晶种的引入, 单次实验合成的多个金刚石晶体晶形及品质一致; 同时, 晶体的整体生长速度也有明显的增大. 多晶种法金刚石单晶合成的研究, 可以有效地利用腔体空间、提高单次金刚石单晶合成的效率, 解决压机大型化下高温高压资源利用率低的问题; 同时, 为宝石级金刚石单晶商业化生产提供重要的依据. 关键词： 金刚石 国产六面顶 多晶种 温度梯度法     

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。     

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…     

再结晶石墨对金刚石成核的影响

 本文结合实验现象，分析了在合成初期，碳源在溶剂-触媒金属中的分散，溶解及形成再结晶石墨的过程。并根据再结晶石墨与金刚石成核量的实验结果，初步定性地研究了膜生长法中，再结晶石墨对金刚石成核的影响。     

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。     

降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响

在国产六面顶压机上,采用温度梯度法,在5.6 GPa,1200—1400?C的高压高温条件下,裂晶问题频繁出现的合成周期内,围绕裂晶现象开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究,系统考察了降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.针对宝石级金刚石单晶常见的裂纹缺陷,借助于扫描电子显微镜,分别对优质金刚石单晶和存在裂纹金刚石单晶的表面形貌进行了表征;利用微区傅里叶转换红外光谱测试手段,对上述两类晶体的N杂质含量分别进行了测试,依据测试结果,对裂晶出现的原因进行了分析;分别采用传统断电降温和缓慢降温工艺,考察了晶体生长结束后的降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.结果表明,缓慢降温工艺在很大程度上可以有效抑制裂晶问题出现.另外,从宝石级金刚石单晶品质和单晶受到的外应力两个方面着手,分别对裂晶出现的机理和采用缓慢降温工艺有效解决裂晶问题的机理进行了讨论.     

含纳米金刚石的立方氮化硼聚晶的制备

 采用在cBN表面进行镀钛、并在PcBN结合剂中加入纳米金刚石的方法,对静压法合成的PcBN的组织结构进行研究。通过对镀钛后的cBN和合成的PcBN样品进行XRD、SEM、显微硬度、致密度分析和热稳定性分析,并与结合剂中不含纳米金刚石的PcBN样品进行对比,研究纳米金刚石的添加对合成PcBN的组织结构和性能的影响。实验结果表明,在有镀钛cBN、Al和Si存在的环境中,采用先升压至5.5 GPa,然后升温至1 400 ℃,保温保压500 s的合成工艺,在PcBN中未发现纳米金刚石发生石墨化;作为碳源,与Si、Ti、Al等共同作用,在PcBN组织中形成多种耐热、高硬、稳定的化合物。适当过量地加入使得PcBN组织中残留部分未反应的纳米金刚石,不仅提高了PcBN的致密性,而且提高了PcBN的硬度,更为重要的是消除和减轻了“架桥”现象。在合成PcBN的过程中,Ti和纳米金刚石的反应活性最强。结合真空微蒸发镀钛技术,cBN表面镀钛和加入纳米金刚石使PcBN中的各组分之间充分反应形成的多种化合物过渡层,使得PcBN中各相之间有良好的相容性,PcBN的热稳定性得到提高。     

高压烧结镀Cr、Ti膜金刚石/铜复合材料热导率研究

 采用磁控溅射方法,在金刚石表面镀覆活性金属Cr膜和Ti膜,在高温高压下合成了镀活性金属膜金刚石/铜复合材料。实验发现,活性金属的加入增强了金刚石与铜界面间的结合强度,减少了界面热阻,提高了复合材料的热导率。复合材料热导率随着金刚石体积分数的增加而降低,随着金刚石的粒度增大而提高。这主要是由界面热阻引起的,可以通过增大金刚石粒度和改善界面状态来提高复合材料热导率。     

籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响

本文在国产六面顶压机上,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用边长0.8, 1.5和2.2 mm三种尺寸的籽晶,系统开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究.文中系统考察了籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响.首先,考察了籽晶尺寸变化对宝石级金刚石单晶裂晶问题带来的影响.研究得到了籽晶尺寸变大,裂晶出现概率增加的晶体生长规律.其次,在25 h的生长时间内,考察了上述三种尺寸籽晶生长金刚石单晶时,生长时间与单晶极限生长速度的关系.得到了选用大尺寸籽晶,可以提高优质单晶合成效率、降低合成成本的研究结论.借助扫描电子显微镜和光学显微镜,对三种尺寸籽晶生长金刚石单晶的表面形貌进行了标定.最后,傅里叶微区红外测试,对三种尺寸籽晶生长宝石级金刚石单晶的N杂质含量进行了表征.研究得到了选用大尺寸籽晶实现快速生长金刚石的同时,晶体的N杂质含量会随之升高的晶体生长规律.     

On a Possibility of the Overgrowth of Diamonds in the Hydrocarbon Atmosphere

The possibility to increase sizes of diamond crystals at least 25 μm by means of their annealing at a temperature of 1450 K in a hydrocarbon atmosphere has been studied. The initial diamond crystals are incorporated in the polyvinyl acetate layer on the surface of a silicon monocrystal and subjected to the annealing in methane atmosphere with low pressure in the presence of an external electric field with intensity up to 0.04 V/μm. Under these conditions the charged ions of methane dissociation products are accelerated and acquire the kinetic energy that is comparable with energy sufficient to form sp³-hybride bonds, which can lead to an increase in the sizes of initial seed crystallites. The obtained substrates of a composite with a typical thickness not higher than 1.2 mm, which contain a joined diamond crystal in the carbon matrix, can be used as thermal conductive and electrical insulating spacers in devices for cooling items of electronic engineering.     

合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石单晶生长的影响

利用液压缸直径为550 mm的大缸径六面顶压机, 在5.6 GPa, 1200-1400 ℃的高压高温条件下, 分别采用单晶种法和多晶种法, 开展了Ib型六面体宝石级金刚石单晶的生长研究, 系统考察了合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石大单晶生长的影响. 首先, 阐述了合成腔体尺寸对合成设备油压传递效率的影响, 研究得到了设备油压与腔体内实际压力的关系曲线; 其次, 选择尺寸为Φ 14 mm的合成腔体, 分别采用单晶种法和多晶种法(5颗晶种), 进行Ib型六面体金刚石大单晶的生长实验, 研究阐述了Φ 14 mm合成腔体的晶体生长实验规律; 再次, 为了解决液压缸直径与合成腔体尺寸不匹配的问题, 将合成腔体尺寸扩大到26 mm, 并开展了多晶种法六面体金刚石大单晶的生长研究, 最多单次生长出14 颗优质3 mm级Ib型六面体金刚石单晶, 研究得到了Φ 26 mm合成腔体生长3 mm级Ib型六面体金刚石单晶的实验规律, 并就两种腔体合成金刚石单晶的总体生长速度与生长时间的关系进行了讨论; 最后, 借助于拉曼光谱, 将合成的优质六面体金刚石单晶与天然金刚石单晶进行对比测试, 对所合成晶体的结构及品质进行了表征.     

Effects of carbon convection field on large diamond growth under high-pressure high-temperature conditions

Large diamond crystals were successfully synthesized by FeNi-C system using temperature gradient method under high-pressure high-temperature conditions. The assembly of the growth cell was improved and the growth process of diamond was investigated. Effects of the symmetry of carbon convection field around the growing diamond crystal were investigated systematically by adjusting the position of seed crystal in the melted catalyst/solvent. The results indicate that morphologies and metal inclusion distributions of the synthetic diamond crystals vary obviously in both symmetric and non-symmetric carbon convection fields with temperature. Moreover, finite element method was applied to analyze carbon convection mode of the melted catalyst/solvent around the diamond crystal. This work is helpful for understanding the growth mechanism of diamond.     

Effects of a carbon convection field on large diamond growth under high-pressure high-temperature conditions

Large diamond crystals were successfully synthesized by a FeNi-C system using the temperature gradient method under high-pressure high-temperature conditions. The assembly of the growth cell was improved and the growth process of diamond was investigated. Effects of the symmetry of the carbon convection field around the growing diamond crystal were investigated systematically by adjusting the position of the seed crystal in the melted catalyst/solvent. The results indicate that the morphologies and metal inclusion distributions of the synthetic diamond crystals vary obviously in both symmetric and non-symmetric carbon convection fields with temperature. Moreover, the finite element method was applied to analyze the carbon convection mode of the melted catalyst/solvent around the diamond crystal. This work is helpful for understanding the growth mechanism of diamond.     

Effect of Regrown Graphite on the Growth of Large Gem Diamonds by Temperature Gradient Method

Generally, when growing high-quality large gem diamond crystals by temperature gradient method under high pressure and high temperature, the crystal growth rate is only determined by the temperature gradient. However, we find that the seed crystal cannot completely absorb all the diffused carbon sources, when growing gem diamonds under a higher temperature gradient. Other influence factors appear, and the growth rate of growing diamonds is partly dependent on the crystalline form of superfluous unabsorbed carbon source, flaky regrown graphite or small diamond crystals nucleated spontaneously. The present form is determined by the growth temperature if the pressure is fixed. Different from spontaneous diamond nuclei, the appearance of regrown graphite in the diamondstable region can retard the growth rate of gem diamonds substantially, even if the temperature gradient keeps unchanged. On the other hand, the formation mechanism of metastable regrown graphite in the diamond-stable region is also explained.     

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.     

FEM simulations and experimental studies of the temperature field in a large diamond crystal growth cell

We investigate the temperature field variation in the growth region of a diamond crystal in a sealed cell during the whole process of crystal growth by using the temperature gradient method (TGM) at high pressure and high temperature (HPHT). We employ both the finite element method (FEM) and in situ experiments. Simulation results show that the temperature in the center area of the growth cell continues to decrease during the process of large diamond crystal growth. These results are in good agreement with our experimental data, which demonstrates that the finite element model can successfully predict the temperature field variations in the growth cell. The FEM simulation will be useful to grow larger high-quality diamond crystal by using the TGM. Furthermore, this method will be helpful in designing better cells and improving the growth process of gem-quality diamond crystal.