人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖

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人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖

文章编号:1006-852X(2004)06-0073-05

人造金刚石合成技术开拓创新的50年

THE FIFTY YEARS CREATIO N OF DIAMO ND SYNTHESIZING TECHNIQ UE

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013)

Wang Guangzu

(Zhengzhou Research Institutef or Abrasives and Grinding,Zhengzhou450013,China)

摘要:人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕。50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃。过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年。人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献。

关键词:人造金刚石;合成技术;开拓创新

中图分类号:TQ163文献标识码:A

Abstract:The first synthetic diamond was produced by General Electric Company in the USA in19541This work opened the prolusi on of syn thetic diamond1Within the last fifty years,the diamond syn thesize technique experienced three great inprovements.So,the past fifty years not only were the years of creation of diamond synthesize technique,but also the years of increase in the quali ty and diversities of the products,and the years of rapid development of production scale and annual production,and also the years of continuous expansion of application1The invention of the syn thetic diamond not only provided a great techniq ue supporting for improving the develop ment of industry modernization and science technique modernization but also contributed to the develop ment of materials science and technology1

Key words:synthetic diamond;synthesize technique,exploi ting and innovating

1引言

金刚石是由碳原子构成的典型原子晶体,其来源有二:一是天然金刚石;另一是人造金刚石。由于天然金刚石资源稀少,难于满足工业的各种需求,所以必须走人工合成之路。20世纪50年代初世界第一颗粒人造金刚石的诞生,为人工合成金刚石的科研、生产、应用打开了闸门。在过去的50年中经历了从静态高压高温触媒法合成单晶金刚石,低压低温化学气相沉积法合成微米/纳米金刚石膜,到利用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石的三大跨越的发展过程,为不断开发金刚石的新品种和扩大应用领域提供了重要的技术保证。

金刚石在自然界极其稀少,分布不均匀。到目前为止,全球只有27个国家找到了具有经济价值的金刚石矿床。世界上90%以上的金刚石产于澳大利亚、扎伊尔、俄罗斯、博茨瓦纳、南非、加拿大、安哥拉,金刚石储量均超过1亿克拉。纳米比亚、加纳、中国、塞拉里昂和巴西,金刚石储量超过1000万克拉;印度、几内亚、中非共和国、利比里亚和委内瑞拉、坦桑尼亚等国的金刚石储量均超过500万克拉。从价值而论,南非供应了世界50%以上的宝石级金刚石。目前,澳大利亚是世界上最大的金刚石产出国,扎伊尔居世界第二位,博茨瓦拉居第三位。加拿大的金刚石资源极具潜力。自2800年前,印度首次开发金刚石砂矿以来,迄今为止,世界上共采出金刚石约26亿克拉,约520吨。从20世纪90年代中期至新世纪,全球天然金刚石年产量巳突破1亿克拉[1]。

正如大家所知,工业金刚石在以天然金刚石为主的时代,有什么性能的金刚石用户就只能用什么样的金刚石,到了以人造金刚石为主的时代,则用户需要什么性能的金刚石,就研究生产什么样性能的金刚石,是人定胜天的生动体现!因此,可以毫不夸张地说,进入21世纪人的一生将离不开金刚石,所以一个国家若不重视发展工业金刚石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代就无从谈起。在过去的50年中金刚石合成技术的不断创新为实现上述三个现代化提供了有力的技术支撑。可见,人工合成金刚石的研制成功对

2004年12月金刚石与磨料磨具工程December12004总第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16

人类的物质文明的进步具有何等重要的意义。本文仅就50年来所取得的一些主要成就做一简要回顾。

2辛勤耕耘、梦幻成真

20世纪高压高温技术发展最辉煌的成果,是世界上硬度最高且极其稀有的物质-金刚石可以用人工的方法合成了!实现了金刚石合成技术的第一次飞跃。这是一个值得永远怀念并载入材料科学发展史册的年份。半个世纪以来,静态高压高温触媒法合成技术取得了一系列重要成果,本节仅就其中一些主要成就做一阐述。

211超高压高温装置及其大型化

超高压高温装置的研制成功实现了人工合成金刚石的美好愿望。这里需要提及的是美国著名的高压研究者P1W1Bridgman在超高压技术方面的研究所做出的杰出贡献,并为这门技术奠定了基础。以美国通用电气公司H1T1Hall为首的试验小组,根据P1W1B ridgman的大质量支撑原理所设计的Belt两面顶装置,并解决了用金属催化剂来实现石墨直接转变为金刚石的关键技术。为后来人造金刚石的发展作出了开创性的贡献[2]。

虽然超高压高温装置的种类很多,但是,目前世界用于金刚石生产的超高压高温装置有三种类型[3]:

(1)以GE公司和De Beers公司为代表的年轮式超高压高温装置。

(2)以中国为代表的镀链式六面顶超高压高温装置。这种类型的装置是中国超硬材料生产的主力机群,约有5000多台,为世界之最。

(3)以前苏联为代表的双面凹式超高压高温装置。

上述装置具有各自的特点,但从综合技术分析,年轮式装置在实现金刚石高端产品生产和降低生产成本,以大型化方面更具优势。因为两面顶装置具有高压冲程适中、压力稳定性好、合成重复性好等优点。因此,合成腔体的温度和压力场能够长时间稳定,适合生长高品级金刚石和大直径的复合片等产品。所以,利用两面顶合成技术生产超硬材料是西方发达国家超硬材料产业的发展主流。该工艺具有技术密集、资金密集的特点,长期为美国、英国等少数国家所垄断。

艺精长运超硬材料有限公司是目前国内几家坚持用两面顶进行金刚石生产和新产品开发的企业之一。2001年立项的3000吨两面顶法合成高品级金刚石的研制成功,实现了世界先进技术平台的初步接轨。三柱式3000吨两面顶压机和扁平化直径70mm合成腔体模具,二者都是迄今为止国内自行设计的最大装置,首创外层钢丝缠绕式超高压模具,也是国内目前最领先有自主知识产权的装置,不仅考虑了大型化的需要,更充分地考虑了国际上最先进的粉末工艺技术路线的使用需要。以直径70mm腔体超高压模具为例,可实现金刚石单产90-160克拉,高品级(MBS960与950)含量35-40%,产品TI、TTI差值小于或等于5%,达到国际水平。3000吨压机和直径70mm模具的运行成功,从技术角度较大地拉近我国与世界先进水平的距离,为将要进行的设计的6000吨压机迈进奠定了良好的基础,从而使中国两面顶技术也开始主动追赶世界先进技术的发展潮流[4]。

超高压腔体的大型化及其控制水平的提高,是关系到人造金刚石生产技术提高众多因素中的关键。因此,一直是人们关注的热点和重要课题。为控制金刚石高端产品在国际上的垄断地位,De Beers公司研发费投资50亿美元,GE公司也投入了30多亿美元。实践表明,高压腔体的大型化的确能带来高产、优质和低成本的好处。

212粉末触媒的开发与应用

德国Winter公司投入巨资,经过7年探索开发出的用粉末触媒合成高品级金刚石的工艺方法,与片状触媒合成金刚石的工艺方法相比,具有三高的功效,即可提高单位体积中金刚石的得量,晶体完整,缺陷少以及经济效益显著,显然是金刚石合成技术发展中的一项具创新性成果。据了解,GE公司和De Beers公司生产高品级金刚石采用的也是粉末触媒,表明这种方法具有先进的实用性。

213产品品种的系列化、专用化

本节以De Beers公司的产品为例给予阐明。SDA 系列磨料为高强度产品,1985年推出的SDAplus系列,是为扩大锯片生产中金刚石磨料的选择范围,1992年推出的SDB2000系列又是对SDAplus系列产品的补充,Monocrystal单晶系列80年代表末推出的新品种:包括Monodie拉丝模坯系列、Monodite刀具坯系列和Monodress修整器系列,代表了当今人造金刚石单晶工业化生产的最高水平,显示出一个公司技术势力高的综合水平[5]。

214金刚石产、耗量增长

目前世界上能够生产人造金刚石的国家有二十几个:美国、英国、中国、爱尔兰、俄罗斯、鸟克兰、瑞典、韩国、日本、法国、白俄罗斯、乌兹别克、德国等等,我们估计,世界人造金刚石现今年产量突破30亿克拉,其中中国年产量有20亿克拉之多,为世界人造金刚石生产的超级大国,中、低端产品产量属世界之最,其价格之

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低也是世界之最。而GE公司(年产116亿克拉)、De Beers公司(2亿克拉左右)、韩国日进公司为6000-8000万克拉,这些公司的产品均为高端产品。

随着世界各国工业技术的发展,工业金刚石的耗用增加很快,从1970年的015亿克拉增加到1980年的1亿克拉,此后以年增长率13%的速度增长。1990年世界工业金刚石耗用量达到318亿克拉,2000年高达10亿克拉。

在工业金刚石的年耗用量中,人造金刚石所占比率增长迅速。1971年世界工业金刚石耗用量为5000万克拉,其中50%为人造金刚石。1975年世界工业金刚石耗用量中人造金刚石占66%,1986年资本主义国家耗用工业金刚石117亿克拉,其中人造金刚石占85%。90年代以来,人造金刚石的耗用量巳占到世界工业金刚石耗用量的90%以上。由此可见,人造金刚石对工业的现代化发挥着重要的作用[6]。

215宝石级金刚石的培育

尽管合成金刚石的技术多种多样,但对1mm以上的优质宝石级金刚石来说,GE公司早期开发的高温高压温差法仍是唯一的一种有效方法[7]。生长优质宝石级金刚石单晶,必须将晶体的生长速度维持的很小,尤其是在晶体生长的最初阶段。对Ib型优质金刚石来说,生长速度要控制在215mg/h,而IIa型金刚石单晶对生长速度要求更苛刻,必须控制在115mg/h以下[8,9]。1996年,日本住友公司将优质高纯IIa型金刚石单晶生长速度提高到3mg/h,实现了IIa型金刚石单晶的商业化生产[10]。2000年,往友公司进一步将单晶的生长速度提高到618mg/h,合成出了810克拉(10mm across)优质IIa型金刚石单晶[11],表明,金刚石单晶生长技术达到了相当高的水平。上述成果的取得不仅可满足制作特殊功能器件的需求,而且可望替代天然宝石级金刚石做装饰之用。

3冲破禁锢、开拓新途

低温低压制备金刚石,起始于1970年苏联的Deryagin,Spitsyn和Fedoseev等人的成功试验[12~14],实现了金刚石合成技术的第二次飞跃。虽然当时的沉积速度非常之低,但无疑是奠基之举[15]。可是这一创新性成果,在整个70年代一直没能引起人们的注意,甚至受人嘲笑。其主要思想根源是受高压高温框框的禁锢,认为在低温低压下石墨相为稳态,金刚石相为非稳态,在低压下进行是不可能的。约在1980年前后,日本Setaka等用实验证实苏联研究者所得到的结果是可信的,因而引起了美国学者Roy的注意,1986年2月美国公开宣布,也用低压气相生长法沉积金刚石取得成功,由此引起轰动!于是引起全球金刚石膜热,这股金刚石膜热,不仅使发达国家如日本、美国、德国等投入了大量人力、物力;而且使发展中国家如中国、印度等相继卷入。显然,日本学者的工作对推动金刚石膜的发展起到了积极的推动作用。

通常的化学气相沉积法生长出的金刚石膜(简称CVD)具有与单晶金刚石几乎相同的性能,它的出现解决了金刚石大面积和复杂形状的应用问题。这种金刚石是由微米级(几微米到几十微米)柱状多晶组成的,这给后续加工和实用化带来困难。在以往的化学气相沉积方法中,一般认为,氢气,特别是通过热分解或等离子体碰撞产生的原子氢在金刚石成核和生长中发挥着不可替代的决定性作用。

然而,1994年,美国阿贡国家实验室的Dr1Dieter MGruen认为,在纳米金刚石生长中C是重要的参与者和决定性的成分,当C与碳氢化合物浓度之比较高或很高时,C就会通过特有的机制形成稳定的金刚石结构[16]。

基于这种全新的理论观点,Dr1Die ter M1Gruen的研究小组,在20世纪90年代初开始以Ar气为主要的反应气体,用微波等离子体化学气相沉积的方法(MPC VD)生长纳米金刚石膜的研究,成功地生长出了纳米金刚石膜,应该说,这是金刚石膜合成技术的又一次新的突破。提出了评价纳米金刚石膜的四个重要条件:(1)膜的晶粒度在几个到几百个纳米之间(3-15nm,颗粒很细;17-25nm,颗粒较细;75-375nm,颗粒较粗),这是纳米金刚石的一个最基本的条件。

(2)膜的厚度至少在3L m以上;

(3)非金刚石成分要小于5%;

(4)晶粒随机取向使晶粒之间得以最大限度的P 键键合。

在最近10年中,高速度、大面积、高质量金刚石膜生长以及工业化的大功率生长设备的开发实现了产业化金刚石生长技术。J1E1Bulter以单位时间金刚石膜沉积量(克拉/小时)、单位重量的生长成本(美元/克拉)和单位重量消耗的电能(千瓦小时/克拉)对10年以来,金刚石膜生长的技术经济指标进行了有意义的统计分析表明,单位时间内的生长量从几毫克/小时猛增加到20毫克/小时;生长成本从每克拉5000美元降低到现在的每克拉5美元;作为金刚石膜生长的重要技术经济指标每克拉金刚石的电消耗量巳经从原来的20-35千瓦小时/克拉降低到6125千瓦小时/克拉。这些结果反映了产业化金刚石膜生长技术水平巨大进

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步,也是金刚石膜的应用开发和走向市场的基本保证。

据国际资源开发(IRD)公司统计数字表明,CVD 金刚石产品将以几乎两年增长一倍的极快速度走向市场。全世界金刚石膜的销售额1990年约为2亿美元, 1995年约为20亿美元,2000年可达40亿美元。有关专家预计2010-2020年金刚石膜直接产品市场将超过100亿美元,相当于目前人造金刚石产品市场的两倍,这是个多么诱人的前景呀!

目前,市场上对金刚石膜产品的需求不断增长,近5年内,在电子方面,需求高能金刚石膜电容器500亿支,产值1000亿人民币,出口100亿美元;在啤酒行业:要求塑料金刚石膜瓶500亿支,产值300亿人民币;在建筑行业:需求金刚石自清洁玻璃10亿m2,产值3000亿人民币。这组数字对人同样具有才及大的吸引力。

4紧跟前沿、占制高点

纳米材料与纳米技术的问世至今巳有十多的历史,大致完成了材料创新、性能开发阶段,现正步入完善工艺和全面应用的阶段。勿容置疑,纳米技术确是一项引领时代潮流的前沿技术。这项技术不仅能够大范围地改造与提升传统技术的水平,而且源源不断地创造出新材料,进而开辟广泛应用的新领域。因此,各国都在异常激烈地抢占自己在这一未来技术的有利位置,巳是不争的事实。所以,在企业开展各项事业的时候,如果忽略了纳米技术的研究开发与应用,就有可能失去巨大的商机,为此,我国必须对其倍加关注,并力争抢占制高点。

1987年俄罗斯的科学工作者,在实验室利用负氧平衡炸药中的碳率先爆轰法合成纳米金刚石,或称之为超分散金刚石(Ultradispersed diamond UDD),或超微金刚石(Ultrafine diamond),实现了金刚石合成技术的第三次飞跃[17]。1988年俄罗斯和美国同时报道了纳米金刚石研制成功的信息。美国洛斯1阿拉莫斯国究研究实验室,俄罗斯西伯利亚流体物理研究所,都是世界知名的从事炸药爆炸研究的单位。1993年中科院兰州化学物理研究所用爆轰法也得到了纳米金刚石,从而拉开我国爆轰法合成纳米金刚石科研、生产与应用的序幕。1999年7月在杭州召开的纳米结构金刚石发展研讨会,为推动我国纳米金刚石爆轰合成的进一步发展,探讨其产业化和应用开发起到了积极作用[18]。

据了解,1990年俄罗斯和乌克兰在试生产的基础上建立了数十至数百千克规模的工业实验装置,1993年以后,在白俄罗斯的明斯克市、乌克兰的日托来尔斯市、俄罗斯的职彼得堡等均形成了年产数千万克拉的超细金刚石的工业生产规模。目前,在上述国家超细金刚石的年产量约为5000万克拉左右,研究重点巳转向产品的改性与应用。与上述国究研究者的出发点不同,美国核武器和常规基础上研究的三大国家实验室对爆轰过程中碳相进行了较深入的理论和实验研究,并形成了2500万克拉的生产能力[19]。中国在2001-2003年间先后在甘肃、深圳、山东、四川和河南建立500-1000万克拉纳米金刚石的生产线,这些生产线的建成无疑有利于物性研究和应用开发的展开。这里需要指出的是,纳米金刚石的产业化进程,在很大程度上取决于应用的力度。

纳米金刚石是众多纳米材料中最具有潜在发展前景的高技术产品。因为它不仅具有金刚石自身的综合优异的物理-机械特性,而且还具有小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应,因而具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,于是为其开辟新的应用领域提供了技术基础和有利条件。由于纳米金刚石具有独特的球状或准球状的外形,使其不但具备金刚石的硬度和耐磨性,还具有超润滑性。因此,其在超精密抛光技术、金属复合镀技术、润滑技术和填充增强技术以及表面工程和军事工程中得到了初步应用,并显示出良好的技术经济成效[20~22]。

需要指出的是,在上述金刚石合成的方法中,爆轰法合成纳米金刚石工艺简单,合成成本相对较低,是人工合成金刚石工艺中最简单最经济的方法,且生产效率高,粒度范围窄,更重要的是产品品质可以通过改变制备条件和表面状态改性进行调控。爆轰法是目前纳米金刚石实现工业化生产的唯一方法,巳具备了一定的理论和技术基础,影响其成本和工业应用的关键在于爆轰生产的提纯和硬团聚体的分散。研究表明,提纯不仅直接影响纳米金刚石的最终得率、纯度、表面特性,而且影响着纳米金刚石的成本和应用。据估计提纯费占总成本的60%以上,这是造成目前成本高的一个很重要的原因,另一个技术难点就是团聚体的分散问题。正如大家所知,纳米粒子比表面大,比表面能高,处于热力学的不稳定状态,容易发生团聚,从而丧失其作为纳米粒子的一些良好物性。纳米金刚石虽然一次粒径较细,但是在制备和后处理中,硬团聚和软团聚的存在使得纳米金刚石粒度明显变粗,应用受到制约,因此,近年来,国内外的科技工作者对纳米金刚石在不同介质中的分散进行了探索,指出,加入单一的表面活性剂往往不能使纳米金刚石在介质中稳定分散,

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而组合使用离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂,可以对纳米金刚石进行表面化学修饰改性,以而得到稳定分散的体系[23,24]。对于纳米金刚石的发展,我们想用以下几句话做一概括:爆轰合成技术日趋成熟,产业化条件基本具备,应用已初见成效,领域有待扩大,潜在市场很大,发展前景非常诱人,技术难点不少,攻关任务任重道远。相信只要共同努力,纳米时代将快步向我们走来。

5结论

(1)世界上人造金刚石不仅在产量上,而且在某些性能上巳超过天然金刚石。当今人造金刚石巳形成一个完整的系列,作为工程材料完全可以满足各工业应用领域对人造金刚石所提出的需求,促进了机械加工技术、地质和石油钻探技术、石材加工技术等发生变革性的变化。现正在向作功能材料的应用方面努力。

(2)金刚石薄膜是一个大有发展前途的新型功能薄膜材料,它的发展历程很短,在理论研究、技术开发、应用扩展方面还很不完善,不系统,还有更多、更深、更广的研究,产业规模化还有一段较长的路要走。但是它的优异性能、广泛的应用前景必将吸引更多的科技工作者努力去研究开拓。我们相信,作为21世纪新型功能材料的金刚石薄膜,随着研究工作与应用开拓不断的深入,在不远的将来,金刚石薄膜的功能必将在各个重要的领域,特别是高新技术领域中产生重要影响。

(3)实践表明,纳米金刚石用于超精密抛光、润滑油添加剂以及塑料橡胶填充补强等都有很好的效果。但是即便是在这些正在开发的领域,应用推广状况仍不理想,一个重要的原因就是在非水体系中纳米金刚石的分散性、稳定性、均匀程度以及与介质相容性等问题还没有得到很好解决。因此,实现纳米金刚石解团和稳定分散对于发挥其优良性能,推动其在一些技术领域中的应用具有重要意义。

(4)最后我们引用一段很形像的话来结束本文的叙述,即有人说[25]:如果有个人具有阿诺的体型、爱因斯坦的智慧、毕卡索的灵感,马友友的琴艺,杰克森的舞术,阿里的拳风及乔丹的球技,你一定会说即便是上帝也难创造出这样的完人。的确在人间没有这种奇绩,但在物质界上帝却赐给人类一个更好的梦幻组合-钻石。由于金刚石的性能无与伦比,在本世纪必将成为工业、商用、军事、教育、娱乐及医学等领域的宠儿。当金刚石产品普及后,人类的物质文明就会更上一层楼,乃至达到颠峰,进入永恒的/金刚石时代0。

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(收稿日期:2004-07-30)

(编辑:王孝琪)

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人造金刚石

人造金刚石 编辑词条 该词条缺少基本信息栏、词条分类,补充相关内容帮助词条更加完善!立刻编辑>> 人造金刚石是加工成珠宝的主要原料,硬度高、耐磨性好,广泛用于切削、磨削、钻探。由于人造金刚石导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;有优良的透光性和耐腐蚀性,在电子工业中也得到广泛应用。 快速导航 目 录 ?1钻石介绍 ?2发展历史 ?3主要应用 ?4制造方法 ?直接法 ?熔媒法 ?外延法 ?形成机制 ?相关热力学 ?5媛石研究 ?6其它相关 ?微波法 ?发明背景

1钻石介绍 编辑 钻石,是珠宝中的贵族,它通明剔透,散发着清冷高贵的光辉,颇有“出淤泥而不染”的气质。钻石亦被称为金刚石,因为它是自然界最坚硬无比的物质,摩氏硬度10,显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍,比刚玉高150倍。它的形成和发现极为不易,它是碳在地球深部高温高压的特殊条件下历经亿万年的“苦修”转化而成的,由于地壳的运动,它们从地球的深处来到地表,蕴藏在金伯利岩中,从而被人类发现和开采。虽然人类可以生产出人造金刚石,但质量大小还远远不及天然金刚石。 金刚石俗称“金刚钻”,也就是我们常说的钻石,它是一种由纯碳组成的矿物,也是自然界中最坚硬的物质。自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后,人们就开始了对人造金刚石的研究,只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展,才获得真正的成功和迅速的发展,人造金刚石亦被广泛应用于各种工业,工艺行业。 2发展历史 编辑 18世纪末,人们发现身价高贵的金刚石竟然是碳的一种同素异形体,从此,制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。一个世纪以后,石墨——碳的另一种单质形式被发现了,人们便尝试模拟自然过程,让石墨在超高温高压的环境下转变成金刚石。为了缩短反应时间,需要2000℃高温和5.5万个大气压的特殊条件。 1955年,美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备,得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体,从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河,他们的年产量在20吨左右;不久,杜邦公司发明了爆炸法,利用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温,也获得了几毫米大小的人造金刚石。 金刚石薄膜的性能稍逊于金刚石颗粒,在密度和硬度上都要低一些。即便如此,它的耐磨性也是数一数二,仅5微米厚的薄膜,寿命也比硬质合金钢长10倍以上。我们知道,唱片的唱针在微小的接触面上要经受极大的压力,同时要求极长的耐磨寿命,只要在针尖上沉积上一层金刚石薄膜,它就可以轻松上阵了。如果在塑料、玻璃的外面用金刚石薄膜做耐磨涂层,可以大大扩展其用途,开发性能优越又经济的产品。 更重要的是,薄膜的出现使金石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱,使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。金刚石薄膜已应用在半导体电子装置、光学声学装置、压力加工和切削加工工具等方面,其发展速度惊人,在高科技领域更加诱人。

金刚石生产工艺流程

金刚石生产工艺一、生产工艺流程

二、生产工艺简介 1、将原料叶腊石,按粒度为16目、24目,80目分选,然后按2:6:3的比例混合,混合后 在280 0C温度条件下焙烧l小时后制成内腔为中20mm的合成腔体,将破片的杂质和粉尘去掉,将触媒清洗后置入烘箱保持”℃恒温。 2、在内腔为中20 mm的合成腔体内分层交替装入碳片,触媒,两端客为两个碳片、碳片为 15片.触媒为12层,在两端的两个碳片外各装一个导电铜圈制成合成块,将合成块置于烘箱内,使之处于140℃恒温状态,保持9小时。 3、将烘过的合成块装入压机内,在压力为110MPa -120MPa,温度为1400℃-1500℃的条件下 保持12分钟将破转化为金刚石。 4、将压机内的合长块取出,进行破碎,使金刚石颗粒和内部杂质暴露。 5、电解法去除金属介媒,合成棒作为阳极,硫酸盐作为电解液,惰性阴极,化学反应式: 阳极:M-ne→Mn+ 阴极:Mn++ne→M M表示Ni、Co、Mn等金属原子;Mn+表示相应的n价金属离子。 6、将电解完的物料放入球磨机进一步粉碎,使金刚石颗粒和石墨进行分离。 7、将球磨完的物料放入摇床进行石墨分离,该工艺主要利用金刚石和石墨在密度上的差异, 在往复摇动的倾斜工作面上,流体对其冲刷实现分离。 8、分选完的金刚石放入酸水中,进一步去除金属杂质,利用销售和王水等强氧化性酸,和金 属反应生成可溶性盐,经水洗即可去除金属杂质,化学反应式: 3Ni+2HNO3+6HCl=3NICl2+2NO↑+4H2O 3Co+2HNO3+6HCl=3CoCl2+2NO↑+4H2O 3MN+2HNO3+6HCl=3MnCl2+2NO↑+4H2O 9、除叶腊石,将酸洗过的金刚石物料加入氢氧化钠进行高温煮沸,化学反应方程式: Al2(Si4O10)(OH) +10NaOH→△→2NaAlO2+4NaSiO3+6H2O 10、将碱洗过的物料进行烘干,烘干后使用不同目数的筛子进行筛分分级,筛分后使用选型机进行等级分选。 11、将筛分选型好的物料按照每袋1万克拉进行包装入库。

化工导论69道简答题作业答案,可能有一两题的答案不怎么对

课程考核分成两部分,一是完成问答题,二是完成一份文献和网络检索总结小论文。 问答题部分: 1. 解释中文“化工”的含义,它包括哪些内容在现代汉语中,化学工业、化学工程 和化学工艺的总称或其单一部分都可称为化工,这是中国人创造的词。 化工在汉语中常常是多义的,化工可以分别指化学工业、化学工程和化学工艺,也可指其综合。 2. 解释中文“化工”的含义。说明“工程”与“工艺”的关系,并举例说明。 (1)化工在汉语中常常是多义的,化工可以分别指化学工业、化学工程和化学工艺,也可指其综合。 (2)应该说明的是化学工程为化学工艺、生物化工、应用化学、工业催化等学科提供了解决工程问题的基础。 3. 化学工业按原料、产品吨位、和化学特性各如何分类 (1)按原料分:石油化学工业、煤化学工业、生物化学工业、农林化学工业 (2)按产品吨位分:大吨位产品和精细化学品 (3)按化学特性分:无机化学工业、有机化学工业 4. 简述化工的特点是什么 (1)品种多(2)原料、生产方法和产品的多样性和复杂性 (3)化学工业是耗能大户 (4)化工生产过程条件变化大 (5)知识密集、技术密集和资金密集 (6)实验与计算并重 (7)使用外语多 5. 指出按现行学科的分类,一级学科《化学工程与技术》下分哪些二级学科它们的 关系如何在我国当前的学科划分中,以一级学科“化学工程与技术” 概括化工学科,并又分为以下五个二级学科:化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工、工业催化。 化学工程为化学工艺、生物化工、应用化学和工业催化等学科提供了解决工程问题的基础。 6. 简述化学工程与化学工艺的各自的学科定义与研究内容 化学工程研究以化学工业为代表的过程工业中有关化学过程和物理过程的一般原理和共性规律,解决过程及装置的开发、设计、操作及优化的理论和方法问题。

6人造金刚石复合片合成用金属杯材料的初步研究(参考模板)

人造金刚石复合片合成用金属杯材料的初步研究 摘要在人造金刚石复合片的合成中,金属杯屏蔽材料对产品的合成有至关重要的作用。本文在日常生产的基础上,对部分不同材质的金属杯进行了对比分析实验,就常用的几种金属杯材料做出较为科学的判断、选择。 关键词复合片金属杯合成温度控制 一、前言 人造金刚石复合片是在高温高压条件下,将金刚石和硬质合金复合烧结在一起制成的复合材料,这种材料既有金刚石的高耐磨性,又有硬质合金的抗冲击韧性和可焊性,性能非常优越。作为性能优异的复合材料,金刚石复合片的出现对石油地质勘探、煤炭开采和机械加工等行业的发展起到了非常重要的作用。在石油地质勘探、煤炭开采以及工程钻探等方面,过去使用最多的是硬质合金类的钻头、钻具,其钻进效率低、使用寿命短,很大程度上制约了相关行业的发展;而将性能优异的人造金刚石复合片应用到这几个行业领域,就达到了使用寿命延长、钻进效率大幅提高、生产成本明显降低等效果。同时,随着人造金刚石复合片生产技术的不断发展、提高,以及人们对这种产品的认识的不断提高,现在在一些其他领域如机械加工行业也在逐步使用人造金刚石复合片。所以,可以预见,未来的人造金刚石复合片的市场前景是十分广阔的。 在人造金刚石复合片在生产过程中,将会用到很多种原材料,包括叶腊石、碳管、盐管、金属杯等等,而这些原材料的选择在很大程

度上就直接决定了所生产的人造金刚石复合片的质量。在人造金刚石复合片用到的所有合成材料中,和金刚石微粉直接接触的金属杯的作用是至关重要的,它不仅起到一个屏蔽保护的作用,防止外部杂质在合成过程中进入到复合片内部,而且它对复合片中钴的扩散及金刚石颗粒的生长、键合都起到很重要的作用。因此,选择一种合适的金属杯材料,对于整个复合片的合成生产的稳定性及最终产品的质量都有十分重要的意义。

人工合成金刚石产业现状分析

人工合成金刚石产业现状分析 金刚石一种机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能特殊材料。 一、人工合成金刚石现状1954年12月8日,纽约州斯克内克塔迪美国GE(通用电器)公司研究发展心科学家本迪(F·P·Bundy)、霍尔(H·T·Hall)等人首先克服了高温高压工程、材料测试方面种种困难而达到了这一转变条件,成功地为石墨含碳物质金属熔体合成金刚石,做出了划时代贡献。1958年,人工合成金刚石投入商业生产。从此人工合成金刚石产量逐渐超过了天然金刚石产量。美国通用电气公司合成工业金刚石后,又花了15年时间,到1970年,宣告宝石级金刚石合成工艺成功。 1971年公布了晶种温梯法详细工艺。据称,只生产出重量分别为0。30ct、0。31ct、0。39ct三粒透明金刚石,代价之昂贵,无法与天然金刚石相匹敌。1986年,前苏联对外机构宣布,苏联科学院高温高压下合成一颗重达9988ct特大金刚石晶体,生成温度比太阳表面温度还要高。1987年,南非德比尔斯公司金刚石研究室利用高温高压法60小时内制出1ct金刚石晶体;180小时内合成5ct金刚石晶簇,最大单晶为11。14ct,最大长度为16mm,晶体呈立方体(100)八面体(111)为主聚形。这些金刚石一般呈黄色或棕黄色;无解理裂纹;适于进行宝石刻面,也可用于拉丝模,切削刀具,辐射探测器等。

1987年,“金刚石薄膜”世界上兴起,国外文献发表生长金刚石膜方法有几十种之多。进入20世纪80年代以来,膜生长速率、沉积面积结构性质已逐步达到可应用程度。研究证实,高质量CVD金刚石多晶膜硬度、导热、密度、弹性(以杨氏膜量表征)透光物理性质已达到或接近天然金刚石,并且金刚石膜具有与单晶金刚石几乎相同性能,但它连续性材料,从而解决了尺寸问题。作为21世纪新型功能材料金刚石薄膜,随着研究工作与应用开拓不断深入,不远将来,金刚石薄膜功能必将各个重要领域,特别高新技术领域产生重要影响。 2003年,国外人造金刚石又获得2项突破性进展———俄罗斯生产出性能超过金刚石大分子三维聚合物,日本研发出超高硬度人造金刚石。俄罗斯科学院化学物理研究所根纳季·科罗廖夫博士领导科研小组,经过近30年不懈研究,终于找到有效控制分子行为方法,成功地合成了大分子三维结构聚合物。这一工艺称为“激活聚合作用”,其性能测试指标完全超过了金刚石性能指标;日本爱媛大学深部地球动态研究心采用不同催化剂“直接转化法”第一次用石墨直接合成出纯度很高多晶金刚石,集合了直径数十纳米微粒子多晶体,硬度可达140GPa,高出单晶2倍以上,而且更耐高温。 二、人工合成金刚石主要生产国目前世界上能够生产人造金刚石国家有二十几个:美国、英国、国、爱尔兰、俄罗斯、乌克兰、瑞典、韩国、日本、法国、白俄罗斯、乌兹别克、德国等等,我们估计,世界人造金刚石现今年产量突破30亿克拉,其国年产量有20亿克拉之多,为世界

CVD钻石19化学气相沉淀法(也称CVD法)合成钻石概述

CVD钻石 化学气相沉淀法(也称CVD法)合成钻石概述 化学气相沉淀法,简称CVD法,可以用于人工合成钻石。最近,由于技术的突破,可以生产出大颗粒的钻石,国检中心在近期日常委托检验中,陆续发现了两批次CVD合成钻石,证明CVD合成钻石已经进入国内市场,引起了大家的关切。笔者从宝石人工合成的角度,介绍一下化学气相沉淀法(也称CVD法)合成钻石。 一、化学气相沉淀法(也称CVD法)合成钻石的历史和现状 但当时CVD法生长钻石的速度很慢,以至很少有人相信其速度能提升到可供商业性生长。 从1956年开始俄罗斯科学家通过研究,显著提高了CVD合成钻石的速度,当时是在非钻石的基片上生长钻石薄膜。 20世纪80年代初,这项合成技术在日本取得重大突破。钻石的生长速度已超过每小时1微米(0.001mm)。这在全球范围内引发了将这项技术用于多种工业目的的兴趣。 图1 无色-褐色CVD合成钻石 一颗由美国CVD钻石公司(CVD钻石中国公司www.cvd.hk,https://www.360docs.net/doc/494125281.html,,https://www.360docs.net/doc/494125281.html,)

生产的高温高压(HPHT)处理的化学气相沉积法(CVD)合成钻石,重0.226克拉20世纪80年代末,开始从事CVD法合成钻石的研究,并迅速在这个领域取得领先地位,提供了许多CVD合成多晶质钻石工业产品。 这项技术也在珠宝业得到应用,用于某些天然宝石也包括钻石的优化处理。 尽管当时CVD合成钻石的生长速度有了很大提高,使得有可能生长出用于某些工业目的和宝石镀膜的较薄的钻石层,但要生产可供切磨刻面的首饰用材料,因需要厚度较大的单晶体钻石,仍无法实现。一颗0.5克拉圆钻的深度在3mm以上,若以每小时0.001mm速度计算,所需的钻坯至少要生长18周。可见,低速度依然是妨碍CVD法合成厚单晶钻石的主要因素。 进入20世纪90年代,CVD合成单晶体钻石的研发取得显著进展。 进入本世纪,首饰用CVD合成单晶体钻石的研发有了突破性进展: 多年从事CVD合成单晶钻石的研发。2003年秋开始了首饰用CVD合成单晶钻石的商业性生产,主要是Ⅱa型褐色到近无色的钻石单晶体,重量达1ct或更大些。同时,开始实验性生产Ⅱa型无色钻石和Ⅱb型蓝色钻石。阿波罗钻石公司预计其成品刻面钻石在2005年的总产量为5000 - 10000ct,大多数是0.25到0.33ct的,但也可生产1 ct的(图1,图2)。 CVD钻石的设备及合成工艺由于技术方法的改进,他们已能高速度(每小时生长100微米)生长出5到10ct的单晶体,这个速度差不多5倍于用高压高温方法和其他CVD方法商业性生产的钻石。他们还预言能够实现英寸级(约300ct)无色单晶体钻石的生长。 由此可见,首饰用CVD合成钻石的前景是十分喜人的,它对于钻石业的影响也是不可

金刚石合成理论与工艺设计

前言 1.金刚石的性质和用途。 金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。与其他材料相比,金刚石具有最大的原子密度(176 atoms/nm3),最大可能的单位原子共价键数目(4),极强的原子键合能(7.4eV)。这使得金刚石具有许多极限性质:最高硬度,最高热导率,最高传声速度,最宽透光波段,抗强酸强碱腐蚀,抗辐射,击穿电压高,介电常数小,载流子迁移率大,既是电的绝缘体,又是热的良导体,而掺杂后又可成为卓越的P型或N型半导体。 人造金刚石的应用领域十分广泛,几乎涉及国计民生的各个领域,小到家庭装修,大到微电子及航空航天等高技术领域。金刚石的推广应用在光学玻璃冷加图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图

工、地质钻探、瓷、汽车零件等机械加工,金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。 表1 金刚石的一些极限性能和用途

2.人造金刚石合成的历史 由于金刚石的优越性质,长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。早在1772年,法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是CO2,1792年,S. Tennan发现金刚石是碳的一种结晶形态。从此,人类开始了对人工合成金刚石的探索。1880年,J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石,现列于大英博物馆。1893年,诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法,用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融,然后用水急冷做了合成金刚石的尝试,后来经证实并未获得成功。二十世纪四十年代,另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备(有的压力超过了5GPa),并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石,但是他的热力学的计算为高温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据。1953年2月15日瑞典ASEA(General Electric Company of Sweden)的科学家宣称合成出人造金刚石,但由于其工作没有正式发表,没能获得广泛的承认,他们使用的是六面顶压机,样品由Fe3C和石墨组成。人类首次真正合成金刚石是1954年12月16日美国GE公司的H.T.Hall, F.P.Bundy, H.M.Strong, R.H.Wentorf四位科学家率先完成,他们使用两面顶压

人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖

文章编号:1006-852X(2004)06-0073-05 人造金刚石合成技术开拓创新的50年 THE FIFTY YEARS CREATIO N OF DIAMO ND SYNTHESIZING TECHNIQ UE 王光祖 (郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013) Wang Guangzu (Zhengzhou Research Institutef or Abrasives and Grinding,Zhengzhou450013,China) 摘要:人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕。50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃。过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年。人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献。 关键词:人造金刚石;合成技术;开拓创新 中图分类号:TQ163文献标识码:A Abstract:The first synthetic diamond was produced by General Electric Company in the USA in19541This work opened the prolusi on of syn thetic diamond1Within the last fifty years,the diamond syn thesize technique experienced three great inprovements.So,the past fifty years not only were the years of creation of diamond synthesize technique,but also the years of increase in the quali ty and diversities of the products,and the years of rapid development of production scale and annual production,and also the years of continuous expansion of application1The invention of the syn thetic diamond not only provided a great techniq ue supporting for improving the develop ment of industry modernization and science technique modernization but also contributed to the develop ment of materials science and technology1 Key words:synthetic diamond;synthesize technique,exploi ting and innovating 1引言 金刚石是由碳原子构成的典型原子晶体,其来源有二:一是天然金刚石;另一是人造金刚石。由于天然金刚石资源稀少,难于满足工业的各种需求,所以必须走人工合成之路。20世纪50年代初世界第一颗粒人造金刚石的诞生,为人工合成金刚石的科研、生产、应用打开了闸门。在过去的50年中经历了从静态高压高温触媒法合成单晶金刚石,低压低温化学气相沉积法合成微米/纳米金刚石膜,到利用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石的三大跨越的发展过程,为不断开发金刚石的新品种和扩大应用领域提供了重要的技术保证。 金刚石在自然界极其稀少,分布不均匀。到目前为止,全球只有27个国家找到了具有经济价值的金刚石矿床。世界上90%以上的金刚石产于澳大利亚、扎伊尔、俄罗斯、博茨瓦纳、南非、加拿大、安哥拉,金刚石储量均超过1亿克拉。纳米比亚、加纳、中国、塞拉里昂和巴西,金刚石储量超过1000万克拉;印度、几内亚、中非共和国、利比里亚和委内瑞拉、坦桑尼亚等国的金刚石储量均超过500万克拉。从价值而论,南非供应了世界50%以上的宝石级金刚石。目前,澳大利亚是世界上最大的金刚石产出国,扎伊尔居世界第二位,博茨瓦拉居第三位。加拿大的金刚石资源极具潜力。自2800年前,印度首次开发金刚石砂矿以来,迄今为止,世界上共采出金刚石约26亿克拉,约520吨。从20世纪90年代中期至新世纪,全球天然金刚石年产量巳突破1亿克拉[1]。 正如大家所知,工业金刚石在以天然金刚石为主的时代,有什么性能的金刚石用户就只能用什么样的金刚石,到了以人造金刚石为主的时代,则用户需要什么性能的金刚石,就研究生产什么样性能的金刚石,是人定胜天的生动体现!因此,可以毫不夸张地说,进入21世纪人的一生将离不开金刚石,所以一个国家若不重视发展工业金刚石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代就无从谈起。在过去的50年中金刚石合成技术的不断创新为实现上述三个现代化提供了有力的技术支撑。可见,人工合成金刚石的研制成功对 2004年12月金刚石与磨料磨具工程December12004总第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16

简述人造金刚石

人造金刚石制造方法综述 人造金刚石取得成功的方法有许多种,兹将具有代表性的几种分类列举如下: 静压触媒法是国内外工业生产上应用最为广泛的方法,人造金刚石的绝大部分(约90%)都是用这种方法生产的。爆炸法在某些国家被应用于金刚石微粉的生产,产量占1%左右。CVD薄膜生长法近年来开始了工业应用。其它一些方法,目前都还处于试验研究阶段。 静压法,又称静态超高压高温合成法。静压触媒法是指在金刚石热力学稳定的条件下,在恒定的超高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。就是以石墨为原料,以过渡金属或合金作触媒,用液压机产生恒定高压,以直流或交流电通过石墨产生持续高温,使石墨转化成金刚石。转化条件一般为5~7GPa,l300~1700℃。这个方法就是传统的高压高温合成法,至今已有40多年的历史了。现在它还在继续发展和完善中,国内外都在致力于高压设备和加热方法的改进以及碳素原料和合金触媒的研究。 静压触媒法合成金刚石的工艺程序大致分为以下三个阶段: 原材料准备(石墨、触媒、叶蜡石的选择、加工与组装) 高压高温合成(p、T、t参数,控制方法与设备) 提纯分选与检验(原理、方法、标准、仪器) 静压触媒法制造金刚石的原理与工艺,是本书所要讨论的主要内容。 所谓静压直接转变法,是指没有触媒参与下的静压法。由于不用触媒,因而需要更高的压力和温度条件,对压机提出了更高的要求,这也正是它不能用于工业生产的原因。

静压法有两种情况,一是固相转化,二是熔融冷暖。 (1) 固相转化 固相转化,要求提供12GPa以上的压力、2000℃以上的温度,保持时间很短(千分之几秒),只能生长细微的多晶体。 (2) 熔融冷凝 此法比固相转化要求更高的压力和温度。日本有人曾经在20GP,和4000℃条件下,使金刚石熔融,然后逐渐冷凝成为块状大单晶。这是液相金刚石向固相金刚石的转变。也可以通过石墨→熔融→重结晶的过程生成金刚石。石墨在高压高温下熔融,晶格解体,然后冷凝,在重结晶过程中建立起金刚石键,成为金刚石晶体。这种方法的困难在于要有耐高温容器。 动压法主要是爆炸法,爆炸法压力温度条件与不用触媒的静压法相似(压力一般在20GPa以上),但产生高压高温的方法不同,不是用压机,而是用炸药。利用TNT(三硝基甲苯)和RDX(黑索金)等烈性炸药爆炸后产生的强冲击波作用于石墨,在几微秒的瞬间可得到几十GPa和几千度高温,使石墨转变为金刚石,产品一般为5~20nm的细小多晶体。结晶缺陷严重,脆弱,可作为研磨膏或者制造聚晶的原料。纳米金刚石的用途有待研究开发。 爆炸法的优点是不需要贵重设备,单次产量高,每次使用15kg炸药(TNT 40%+RDX60%)可生产约120克拉的金刚石微粉,缺点是温度压力不好控制,尤其无法分别控制温度和压力并且样品回收提纯手续繁多。 爆炸法常用的一种装置是单飞片装置,图1-1为其剖面简图。平面波发生器使顶端的点爆源变成面爆源,产生平面激波,引爆主炸药包,驱动飞片以每秒几千米的速度撞击石墨,使之转变成金刚石,所得产品占石墨的3%~5%。 假若碳源不用石墨而改用球墨铸铁或者普通生铁,铁就能起触媒作用,促使其中的碳变成金刚石。 如果用含有石墨小包裹体的触媒金属块作原料,由于金属比石墨难以压缩,压缩波通过时,没有象石墨那样热起来,造成了石墨包裹体的猝灭。这种猝灭作用使得在冲击压缩过程中形成的金刚石在随后的卸压膨胀过程中得以保存下来,产量大大提高。 日本人漱同信雄采用无定形碳素和改进过的单飞片装置(飞片速度为 3.6

材料科学与工程概述

第1节材料科学与工程概述 1.1.1材料科学的内涵 材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为,给予材料结构的统一描绘或建立模型,以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成,他们之间的关联可以用一个多面体来描述(图1-1)。其中使用效能是材料性能在工作状态(受力、气氛、温度)下的表现,材料性能可以视为材料的固有性能,而使用效能则随工作环境不同而异,但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心,它直接和其它5个要素相连,表明它在材料科学中的特殊地位。 材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性 能和结构,人们常常需要了解各种过程的现象,如屈服过程、断裂 过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成 都涉及能量的变化,因此外界条件的改变也将会引起结构的改变, 从而导致性能的改变。因此可以说,过程是理解性能和结构的重要 环节,结构是深入理解性能的核心,外界条件控制着结构的形成和 过程的进行。 材料的性能是由材料的内部结构决定的,材料的结构反映了材料 的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、 离子和分子等,材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的 影响,如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是 静止不动的,是在不断的运动中,如电子的运动、原子的热运动等。 描述材料的结构可以有不同层次,包括原子结构、原子的排列、相 结构、显微结构、结构缺陷等,每个层次的结构特征都以不同的方 式决定着材料的性能。 物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构,电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响,尤其是电子结构会影响原子的键合,使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列,或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能,如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成,但二者原子排列方式不同,导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时,与晶体材料相比,性能差别也很大,如玻璃态的聚乙烯是透明的,而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外,在晶体材料中存在的某些排列的不完整性,即存在结构缺陷,也对材料性能产生重要影响。 我们在研究晶体结构与性能的关系时,除考虑其内部原子排列的规则性,还需要考虑其尺寸的效应。从聚集的角度看,三维方向尺寸都很大的材料称为块体材料,在一维、二维或三维方向上尺寸变小的材料叫做低维材料。低维材料可能具有块体材料所不具备的性质,如零维的纳米粒子(尺寸小于100nm)具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应等,使其具有独特的物理、化学性能。纳米金属颗粒是电的绝缘体和吸光的黑体。以纳米微粒组成的陶瓷具有很高的韧性和超塑性。纳米金属铝的硬度为普通铝的8倍。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、光导纤维,作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。 1.1.2 材料科学的确立与作用 (1)材料科学的提出 “材料科学”的明确提出要追朔到20世纪50年代末。1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星,重80千克,11月3日发射了第二颗人造卫星,重500千克。美国于1958年1月31日发射的“探测者1号”人造卫星仅8千克,重量比前苏联的卫星轻得多。对此美国有关部门联合向总统提出报告,认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联,关键在先进材料的研究方面。1958年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”,决定12所大学成立材料研究实验室,随后又扩大到17所。从那时起出现了包括多领域的综合性学科--“材料科学与工程学科”。 (2)材料科学的形成 材料科学的形成主要归功于如下五个方面的基础发展: 各类材料大规模的应用发展是材料科学形成的重要基础之一。18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明,使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃,如1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢,大大促进了机械制造、铁路交通的发展。随之不同类型的特殊钢种也相继出现,如1887年高锰钢、1903年硅钢及1910年镍铬不锈钢等,与此同时,铜、铅、锌也得到大量应用,随后铝、镁、钛和稀有金属相继问世。20世纪初,人工合成高分子材料问世,如1909年的酚醛树脂(胶木),1925年的聚苯乙烯,1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龙等,发展十分迅速,如今世界年产量在1亿吨以上,论体积产量已超过了钢。无机非金属材料门类较多,一直占有特殊的地位,其中一些传统材料资源丰富,性能价格比在所有材料中最有竞争能力。20世纪中后期,通过合成原料和特殊制备方法,制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进结构材料。如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等。先进结构

关于人造金刚石的制备与合成

关于人造金刚石的制备与合成 1目的与意义 钻石,是珠宝中的贵族,它通明剔透,散发着清冷高贵的光辉,颇有“出淤泥而不染的气质。钻石亦被称为金刚石,是自然界最坚硬无比的物质,人造金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝,在工业中也大有可为。它硬度高、耐磨性好,可广泛用于切削、磨削、钻探;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;它有优良的透光性和耐腐蚀性,在电子工业中也得到广泛应用。 1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等 2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等 3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等 4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等 5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等 6、金属结合剂磨具、电镀制品。钻探工具或研磨等 7、剧切、钻探及修正工具等[1] 2设计基本原理 石墨在一定的温度和压强下是会发生结晶变态从而变成金刚石,且石墨的温度和压强要在金刚石的热稳定性区域内,其动力学要满足一定的关系。 3设计内容(方案) 3.1原材料的选择 金刚石是石墨结晶变态产生的,其石墨是主要原料,转变过程的反应压力和温度必须不低于190 000kg/cm2 和∽3900℃[2],这一推测的正确性已为实验所证实。不过目前要得到这样高的压力和温度的设备是非常困难的。所以需要加入触媒材料来降低石墨的活化能。 3.2制备与合成方法 3.2.1压力控制 人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合成材料的不同分2~6段超压、保压,超压到90 MPa左右,再保压几分钟后卸压,完成一个工序,时问为几分钟到十几分钟。可根据工艺要求任意设为多段,由现场人机界面随时输入修改。加压闭环控制系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较,经过高级控制算法处理后,控制液压泵组和液压阀组的工作状态,使系统的压力工作状态跟踪给定压力工艺曲线。被控对象油路压力是由电动机带动增压器增压的,要求系统在几分钟内将油路压力从lO Pa左右分几段提升到90 MPa左右,并且超调不能大于0.3 MPa。控制速度要快,控制精度要高。因此超压采用主泵开关控制,保压采用副泵补压模糊PID控制。 模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、不需要精确数学模型等特点。但模糊控制的稳态精度较差,故采用模糊一PID复合控制的方法,以提高模糊控制的精度[3][7][8] 3.2.2温度控制 人造金刚石压机生产工艺要求加热控制是在超压达30 MPa以后开始的,加热控制也分加温、保温几段进行,几分钟或十几分钟后停止加热。加热控制系统将加热电压和加热电流采样信号相乘得到功率测量值,与计算机预设的加热功率工艺曲线进行分析比较,经高级控制算法处理后,通过控制功率可控硅的导通角来控制大电流加热变压器的输出电压和输出电流,使系统的加热功率满足工艺要求。被控对象合成块为叶腊石作触媒内装石墨,为电阻性负载。由于采用变压器降压和升流,串入了电感性负载,容易引起超调和振荡。合成块的温度是根

工程训练B比较全的答案

制造技术工程实训 实习报告 参考答案 一、工程材料基础知识 (一)工程材料 1、工程材料按其性能可分为结构材料和功能材料。前者通常以力学性能为主,兼有一定的物理、化学、性能。而后者是以特殊物理化学性能为主的功能材料。工程上通常按化学分类法对工程材料进行分类,可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料。 2、组成合金的结构形式有固溶体、金属化合物、机械混合物三种。刚和铁的基本组成元素是铁和碳,统称为铁碳合金,其中碳含量大于2.11%为铁,小于2.11%为钢。 3、碳素钢是指碳含量小于2.11%和含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素所组成的铁碳合金,简称碳钢;合金钢是在碳钢的基础上加入其它金属(如硅、锰、铬、镍等)元素的铁碳合金;铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。碳素钢价格低廉,工艺性好,广发应用与机械制造中;合金钢按加入合金元素的不同,具有不同的性能(高耐磨性、耐蚀性、耐低温、高磁性等),按用途可分为结构钢、特殊性能钢;铸铁按其碳的存在形态可分为灰口铸铁和百口铸铁。

4、常用的非金属材料有种:工程塑料、复合材料、工业橡胶、工业陶瓷等。 工程塑料具有密度小、耐腐蚀、耐磨减模型好、良好的绝缘性能以及成型性等优点,此外还有强度硬度较低、耐热性差、易老化和儒变等缺点; 复合材料具有较高的比强度和比模量、较好的疲劳强度、耐蚀、耐热、耐磨、减震的特点; 工业陶瓷:高硬度、高耐磨、高弹性模量、高抗压强度、高熔点、耐高温、耐腐蚀、脆性大等特点; 合成橡胶:耐热、耐磨、耐老化;耐寒;耐臭氧 (二)材料处理技术 1、热处理工艺主要是通过控制加热温度、保温时间、冷却速度,从而改变材料的表面或内部组织结构,最终达到改善工件的工艺性能和使用性能的目的。常用的热处理方法有:退火、正火、回火、淬火、调质。 2、说明一下热处理工艺的主要目的: 退火:降低硬度,改善切削加工性能;消除残余应力,稳定尺寸;减少变形与裂纹倾向细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。 回火:消除工件淬火产生的残余应力,防止变形与开裂,调节性能获得工艺所求力学性能和加工性能,稳定组织与尺

等离子体合成金刚石

]等离子体合成金刚石已有12人参与 这个方法是一个俄罗斯人首先提出的,由此可见俄罗斯人的确很牛。 这种方法可以合成大面积金刚石薄膜,大面积哦,这是由于现在可以得到很大规模的等离 子体,所以这种方法在研究领域可谓不可多得,只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。CVD金刚石可以用各种方法合成,其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜,并就膜与基底的附着强度 和膜的性质作过探讨。但是,热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺 等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。 金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、 高的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴 迁移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成P和N型的半导体。金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。金刚石从真空紫外光波 段到远红外光波段对光线是完全透明的,因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好, 可用作红外光学窗口和透镜的保护性涂层。以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制 仪器的光学元件涂层。在工业制造领域,需要大量轻量化、高强度的材料,用具有高硬度、高耐磨性的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性,而将金刚 石薄膜直接沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具,而且可以制备出具有复杂 几何形状的金刚石涂膜刀具,在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。金刚石在室温 下具有最高的热导率,又是良好的绝缘体,因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电 子器件的理想散热材料。金刚石能掺杂为P和N型的半导体,与现有半导体材料相比,具有最低的介电常数,最高的禁带宽度,较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于Si半导体,是替代Si的理想材料。它有可能用于制备微波甚至于毫米波段超高 速计算机芯片,高电压高速开关及固体功率放大器,而工作温度更可达600摄氏度。金刚 石制备电子器件的应用已取得了初步的结果,如金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻等金刚石制备电子器件的应用。但天然金刚石价格昂贵、数量稀少,

无机合成

第二章 试述气体的来源和净化步骤。如何除去气体中的水分。(P11---P12) 答: ⑴来源:工业制备和实验室制备 ⑵净化步骤:a除去液雾和固体颗粒。b 干燥。c 除氧。d 除氮 ⑶一是让气体通过低温冷阱,是气体中的水分冷却下来,已达到除水的目的 二是让气体通过干燥剂,将水分除去。 干燥气体的干燥剂有几种类型?选择干燥剂应该考虑哪些因素?P12 答: 种类:一类是可同气体中的水分发生化学反应的干燥剂 一类是可吸附气体中水分的干燥剂 因素:a干燥剂的吸附量,干燥剂的吸附量越大越好 b吸附速率,吸附速率愈快愈好。 c残留水的蒸气压,吸附平衡后残留水的蒸气压愈小愈好 d干燥剂的再生,干燥剂越易再生成本越低 如何进行无水无氧实验操作?P16 答 1 无水无氧操作室2保护气体及其净化3 试剂的储存和转移4 反应、过滤和离心分离及升华提纯5 样品的保存和转移 溶剂有哪些类型?质子溶剂有哪些特点?质子惰性溶剂分为几类?举例说明P18 和P34 答: 溶剂类型:质子溶剂,质子惰性溶剂,固态高温溶剂 质子溶剂的特点:都能自电离,这些溶剂主要是些酸碱 质子惰性溶剂分类:

a惰性溶剂,基本不容计划不自电离。如四氯化碳,环己烷等 b偶极质子惰性溶剂,即极性高但电离程度不大的溶剂。乙腈,二甲基亚砜等 c两性溶剂,三氟化溴 d无机分子溶剂,二氧化硫,四氧化二氮 使用溶剂时应考虑哪些因素?依据哪些原则?P35--P40 答: 因素:①反应物的性质②生成物的性质③溶剂的性质 原则:a反应物充分溶解b反应物不与溶剂作用c使副反应最少d易于使产物分离 什么叫拉平效应和区分效应?P40/P41 答: 拉平效应:但一种酸溶于任一溶剂时,酸中的质子完全转移给溶剂分子,这种现象被称为拉平。当不同的酸在同一溶剂中被拉平时,它仍在该溶剂中所表现的酸性强度时相同的。即原有的酸性差别因溶剂无法区分而被拉平,这种效应被称为溶剂的拉平效应。 区分效应:能区分酸(或碱)强弱的作用为区分效应。具有区分效应的溶剂为区分溶剂。 第三章 化学气相沉积法有哪些反应类型?该法对反应体系有什么要求?在热解反应中用金属烷基化物和金属烷基氧化物作为源物质时,得到的沉积层分别为什么物质?如何解释?P47--- 答: 1、反应类型:热分解反应;化学合成反应;化学输运反应。 2、要求: ①反应物在气温下最好是气态,或在不太高的温度下就有相当的蒸气压,且容易获得高纯产品。 ②能够形成所需要的材料沉积层,反应副产物均易挥发

人造金刚石的生产、市场、趋势及新生产工艺

人造金刚石的生产、市场、趋势及新生产工艺 扈楠021131021 由于有些矿物在自然界产出较少,不能满足工业生产的需要,从19世纪四十年代开始了人造矿物的研究。许多人造矿物的性能已接近或超过相应的天然矿物,有些人造矿物可以代替某些天然矿物,成本比开采天然矿物的成本还低,并且可以控制矿物的质量和大小。所以人造矿物的研究和生产发展很快。金刚石以其最大的硬度、半导体性质以及光彩夺目的光泽,分别应用于钻头切割、电子工业和宝石工业上。故人造金刚石的意义显得尤为重大。 人造金刚石是用超高压高温或其他人工方法,使非金刚石结构的碳发生相变转化而成的金刚石。与天然金刚石相比,它具有生产成本低,应用效果好的优点。由于非金属材料和其他硬脆材料,如大理石、花岗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝土等加工工业的发展,对锯片、钻头用金刚石质量的要求越来越高,需求量越来越大,目前世界上工业用金刚石的85%以上已由人造金刚石代替。 1生产状况 目前世界上生产人造金刚石的国家主要有:美国、南非、爱尔兰、瑞典、英国、德国、俄罗斯、乌克兰、亚美尼亚、日本、中国、罗马尼亚、波兰、捷克、朝鲜、希腊、印度等近20个国家。世界人造金刚石的产量为7~10亿克拉,其中年产量在1亿克拉以上的国家有美国、英国、俄罗斯等。我国人造金刚石年产量2亿克拉以上,居世界第一位。世界人造金刚石产量年增长率为8%~15%。 美国的GE公司、英国的DeBeers公司和德国的Winter公司是目前世界上生产人造金刚石的三大集团,垄断着世界人造金刚石的生产技术和消费市场,代表着世界人造金刚石的发展方向。GE公司1955年首先宣布人工合成金刚石的工业方法,且曾一度在单晶工艺方面处于领先地位,目前与其他两家公司相比,该公司的聚晶技术更为先进,年产量达1.65亿克拉,所采用的压机吨位一般在38~100MN之间。DeBeers公司1987年合成出世界上最大的宝石级单晶体(11.14克拉)和工业级单晶体(重14.20克拉),1992年又创造了合成重量39.40克拉的工业级单晶金刚石的世界纪录。它首先推出SDA系列的锯片级人造金刚石,SDA系列现已成为国际通行的锯片级人造金刚石等级标准。DEBeers公司设在南非、爱尔兰和瑞典的工厂全部采用100MN级压机生产,高压模具腔体内径为Φ110mm,如采用SDA工艺,合成单次产量为300克拉,其中SDA级产品可达60%,如采用MDA工艺生产,单次产量可达500克拉。Winter公司早年主要从事金刚石工具的制造,为了把人造金刚石和金刚石工具连成一个完整的系列产品,1974年在德国政府及北大西洋公约组织的资助下开始研制人造金刚石生产技术,并且后来居上,其独特的工艺及设备使其生产的金刚石在品质方面优于其他两大公司,如成品杂质含量为2‰~3‰,单次产量可达800克拉,具世界领先水平。 我国自1963年研制成功第一颗人造金刚石,1966年投入工业化生产,年产量仅1万克拉。经过30多年的发展,目前全国已有人造金刚石生产企业600多家,年产量达2亿克拉以上,从产量看,我国已成为世界人造金刚石生产大国。我国的人造金刚石设备基本都是自己设计制造的,目前主要为六面顶压机。6×6MN的压机20世

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