高品级、高性能人造金刚石合成工艺的实验研究
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。
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
人造金刚石用石墨性能的研究
第19卷第1期 超 硬 材 料 工 程V ol.19 2007年2月SU P ERHA RD M A T ERIA L ENG IN EERIN G Feb.2007人造金刚石用石墨性能的研究 李和胜1,2,李木森1,2 (1.山东大学材料科学与工程学院,山东济南250061;2.山东省超硬材料工程技术研究中心,山东邹城273500) 摘 要:用于合成金刚石的石墨具有三个功用——碳源、热源和受压介质,其性能直接关系着金刚石的质 量。文章针对人造金刚石用石墨材料主要性能的研究进行了综述,包括石墨化度、气孔率(体积密度)、灰分 (纯度)、电阻率以及晶体结构等等。提出在选择合成金刚石用石墨材料时,应综合考虑其满足不同功用的 各项性能,同时还要结合具体的生产条件。认为满足合成设备大型化和粉末工艺的粉状石墨和辅助加热用 的石墨材料将是人造金刚石用石墨材料发展的新亮点。 关键词:人造金刚石;石墨材料;综述;性能 中图分类号:T Q163 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2007)01-0013-06 Study on properties of the graphite used for synthesizing diamond LI He-sheng1,2,LI M u-sen1,2 (1.School of M ater ials Science and Engineer ing,Shandong Univ er sity,J inan250061,China; 2.S hand ong E ngineering Research Centr e f or Sup er har d M ater ials,Zoucheng273500,China) Abstract:The g raphite used fo r synthesizing diam ond has three functions:carbon source, heat source and pr ess medium.The m ain pro perties o f gr aphite are very im portant for synthesizing diamo nd because o f their effects on the quality of diamond.T he study o n g raphitization deg ree,por osity(volume density),purity,resistance coefficient and crystal str ucture etc of g raphite is sum marized.On the basis of the research results,the conclusio n can be draw n that the proper ties o f g raphite w hich satisfy different functions and the factual pr oduce condition should be thoug ht over w hen selecting the stuff for synthesizing diam ond.It can be forejudged that the dev elo pm ent of pow der graphite and assistant heat materials w hich adapt to the trend of press apparatus enlarg ing and pow der synthesizing techno logy w ill be v ery rapid. Keywords:synthetic diamond;gr aphite m aterials;sum mary;properties 0 前 言 石墨与金刚石是同素异形体,人造金刚石就是在高温高压下促使石墨发生同素异构转变来生成金刚石。1955年人类合成出的第一颗金刚石和1963年诞生的我国第一颗人造金刚石均采用石墨作为原料[1～2]。近年来,随着人造金刚石理论研究的不断深入,采用其他含碳化合物(如CCl4、CO2、B4C以及SiC 等等)合成金刚石相继取得成功[3～8]。但在工业领域,石墨材料尤其是人造石墨仍然是人工合成金刚石的 13 收稿日期:2006-09-30 作者简介:李和胜(1981-),男,山东泰安人,博士研究生,研究方向:金刚石单晶的合成及性能表征。 基金项目:国家自然科学基金(No.50372035,No.50371048)和教育部博士点专项科研基金(No.20020422035,No20040422020)资助项目。
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
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
金属粉末在刀头中的作用及金刚石的品级及应用
金属粉末在刀头中的作用及金刚石的品级及应用 粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度。还能消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构。经退火的粉末压制性能得到改 善，压坯的弹性后效相应减少。退火温度T 退=（0.5～0.6）T 熔 。退火一般用还原 性气氛，有时也可以用惰性气氛或真空。 一、金属粉末常识 1，金属粉末的制取方法有机械法和物理化学法和雾化法。 机械法包括机械粉碎和机械研磨，物理化学法包括还原法、电解法、和热离解羰基化合物法等，不同的生产方法决定粉末具有不同的颗粒形状和粒度及粒度组成，而不同的颗粒形状和粒度及粒度组成又对粉末的松装密度、流动性、和压制烧结有显著影响。 2，金属粉末的工艺性能 金属粉末的工艺性能包括：松装密度、振实密度（摇实密度）、流动性、压缩性和式样自然地充满规定的容器时，单位容积的粉末质量。可以用漏斗法、斯 柯特容量计法和震动漏斗法。 振实密度：金属粉末的振实密度成型性。 松装密度：粉末装入指将粉末振动容器中，在规定条件下经过振实后测得的粉末密度。一般比松装密度高20%-50%。 流动性：50g粉末从标准漏斗流出所需时间，s/50g。 压缩性：在标准模具中，规定的润滑条件下，用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度表示。 成型性：用粉末得以成型的最小压力表示。 3，金属粘结剂的作用： 粘结剂的主要作用是用来固结切削元件——金刚石，粘结剂又分为金属 粘结剂、树脂粘结剂(软磨片)、陶瓷粘结剂等。下面结合我厂的实际情 况对所使用的金属粘结剂逐一介绍一下： ㈠铜粉：电解法制取，200目（也就是说通过200目筛子的粉末达95%），颗粒形态为树枝状，玫瑰红色，氧化后颜色发暗，严重时变成黑色粉末。 作为结合剂材料，铜粉的主要优点有：电解铜粉成型性好，广泛用于冷压成型后烧结，压坯不易塌落；纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好，如W、WC（结合448配方的改进）；纯铜的耐磨性优于青铜，可烧结性好；铜可与Sn、Zn、Mn、Ni、Ti等制成性能优异的合金，价格远低于钴粉，因此我厂现有配方个别钴基除外，都含有铜粉。 铜粉的缺点是：纯铜的变形性大不宜制成高质量的工具；.铜铁间的互溶性不好，彼此溶解对铁基结合剂的应用不利；由于铜的强度低、对碳材料的润湿性差，所以对金刚石的把持力度很低，这将和粘结力都不高。 ㈡铁粉：我厂使用的有还原铁粉、电解铁粉和羰基铁粉，顾名思义还原铁粉用还原法制取，电解铁粉电解法制取，羰基铁粉通过热离解羰基化合物制取，还原铁粉200目，电解铁粉300目，羰基铁粉（现使用德国巴斯夫产品）是微米级，平均粒径6.2微米。（价格、性能对比） 作为结合剂材料，铁粉的优点有：价格低（还原铁粉、电解铁粉）；与金刚石有好的润湿性（优于C o、N i）；与骨架材料（W C）的相容性很好；烧结时
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
金刚石合成理论及工艺
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(MGatoms/nn?),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，最髙传声速度，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。 图1立方金刚石的晶胞空间结构示意图 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
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C02, 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髙温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据o 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FeQ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，他们使用两面顶压机合成了金刚石，
高品级工业金刚石的亚稳区合成
２００９年１２月金刚石与磨料磨具工程Ｄｅｅ．２００９ 第６期总第１７４期Ｄｉａｍｏｎｄ＆ＡｂｒａｓｉｖｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｏ．６Ｓｅｒｉａｌ．１７４文章编号：１００６—８５２Ｘ（２００９）０６—００６２—０４ 高品级工业金刚石的亚稳区合成＋ 高峰１李春杰１丁战辉２于立军１马红安３ （１．长春师范学院物理学院，长春１３００３２） （２．吉林大学物理学院，长春１３００１２） （３．吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春１３００１２） 摘要本文以ＳＰｌ）６ｘ１２００型六面顶压机为金刚石的合成设备，采用升压至成核压力，成核后再降压到金刚石的亚稳区的特殊工艺进行金刚石的合成。在高温高压条件下合成出了晶体形貌完好的优质金刚石单晶。ＳＥＭ结果表明：与传统工艺合成的金刚石相比较，亚稳区内合成的金刚石晶体的缺陷明显变少，表面平滑度增强。还将亚稳区内合成的金刚石与传统工艺合成的金刚石的粒度值进行了比较，在相同生长时间下，亚稳区内合成的金刚石粒度明显小于传统工艺合成的金刚石，即亚稳区内金刚石的生长速度变慢。最后，本文还对特殊工艺与传统工艺下金刚石生长的区别机理进行了分析讨论。 关键词高温高压；Ｖ形区；金刚石 中图分类号ＴＱｌ６４文献标识码Ａ．ＤＯＩ编码１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５２Ｘ．２００９．０６．０１４Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｄｉａｍｏｎｄｉｎｍｅｔａｓｔａｂｌｅｒｅｇｉｏｎ ＧａｏＦｅｎ９１ＬｉＣｈｕｎｊｉｅｌＤｉｎｇＺｈａｎｈｕｉ２ＹｕｋｉｊｕｎｌＭａＨｏｎｇａｎ３ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３２，Ｃｈｉｎａ） （２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ） （３．ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｆＳｕｐｅｒｈａｒｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＨｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｄｉａｍｏｎｄｃｒｙｓｔａｌｓｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｉｎＳＰＤ６×１２００ｃｕｂｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ，ｕｓｉｎｇａｓｐｅｃｉａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｈａｔｉｓ，ｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｕｐｔｏｄｉａｍｏｎｄｎｕｃｌｅａｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｉｎｔｏｔｈｅｍｅｔａｓｔａｂｌｅｒｅｇｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄ．Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ，ｄｉａｍｏｎｄｄｅｆｅｃｔｓｇｏｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｎｄｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｄｉａｍｏｎｄｗａｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｓｉｚｅｏｆｄｉａｍｏｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｉｎｍｅｔａｓｔａｂｌｅｒｅｇｉｏｎＷａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｄｉａｍｏｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆｄｉａｍｏｎｄｗａｓｓｍａｌｌｅｒ，ｎａｍｅｌｙ，ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｄｉａｍｏｎｄｉｎｍｅｔａｓｔａｂｌｅｒｅｇｉｏｎｇｏｔｓｌｏｗｅｒｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｄｉａｍｏｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｎｅｗａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｇｈ?ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；Ｖｓｈａｐｅｒｅｇｉｏｎ；ｄｉａｍｏｎｄ ０引言 目前合成金刚石的方法有很多种¨６１，其中主要的有动态高压法、静态高压法和气相合成（ＣＶＤ）法。静态高压法又以其生产效率高，可控性强而被普遍采 ?基金项目：国家自然科学基金资助（５０５７２０３２）用。众所周知，在静高压条件下石墨要想直接转化成金刚石需要非常高的压力，而通过触媒的添加我们可以将合成条件由１３ＧＰａ、３０００Ｋ降至５ＧＰａ、ｌ６００Ｋ左右。对于如何进一步的降低合成压力，目前还没有一个有效的解决办法。现在人们更多的兴趣集中在以 万方数据
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
国家有关人造金刚石产业政策
国家有关人造金刚石产业政策 我国各级政府也高度重视超硬材料行业的发展，同时制订了相关的促进政策。目前与超硬材料相关的政策如下： （1）《新材料产业“十二五”发展规划》“（四）新型无机非金属材料”中，条文中明确指出：“巩固人造金刚石和立方氮化硼超硬材料、激光晶体和非线性晶体等人工晶体技术优势”。 （2）《2012年产业振兴和技术改造专项重点方向》中“专题四新型绿色环保建材及无机非金属材料”明确提出“高品质人工晶体材料、制品和器件生产技术开发及生产”。 （3）《产业结构调整指导目录（2011年本）》中鼓励类“十二建材”中“8、信息、新能源、国防、航天航空等领域用高品质人工晶体材料、制品和器件生产装备技术开发”。 （4）《河南省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》“专栏7 重大科技专项和自主创新重点任务”中指出“先导产业领域：重点开发、推广新能源汽车、动力锂离子电池、治疗性乙肝疫苗、杂交小麦关键制种、名优花卉新品种选育及产业化、高效低衰薄膜太阳能电池、兆瓦级风力发电成套装备、精密超硬材料及制品、钛合金等20项关键技术”。 “2.优先发展战略性新兴产（5）《河南省建设中原经济区纲要》 业”中明确指出“重点发展超硬材料、高强轻型合金等新型材料”。 本项目产品为高品级人造金刚石，属新材料----无机非金属材料---超硬材料---高品质人工晶体材料、，项目属于国家重点扶植对象。 国家高度重视超硬材料及制品产业的发展，国家十二五规划提到: “制定支持企业技术改造的政策，加快应用新技术、新材料、新工艺、新装备改造提升传统产业，提高市场竞争能力”。明确将超硬材料划入大力发展的新材料领域。
人造金刚石综述
人造金刚石综述 罗鹏程 （化学化工学院2011221106220053） 摘要： 本文介绍了人造金刚石的构成，人造金刚石起初的发展，人造金刚石在我国的第一次产生，以及人造金刚石的用途，对于我国金刚石发展的前景的展望以及对于我国金刚石未来的发展做出的规划，人造金刚石在我国的发展现状等 关键词：石墨人造金刚石用途发展前景 One diamond review Luo Pengcheng (ChemistryandChemicalEngineering, 2011221106220053) Abstract: This paper introduces the composition of artificial diamond, the first development of man-made diamond, synthetic diamond in China produced for the first time, and the use of artificial diamond, diamond for the prospect of China's development prospects and the planning for the development of China's future is made of diamond, synthetic diamond in China's development status Keywords: prospects for the development of artificial diamond uses graphite 一、人造金刚石简介 金刚石由碳元素构成，与无定形碳、石墨、碳纤维、富勒烯和碳纳米管等互为同素异形体，其密度为3.52g/cm3。金刚石熔点为3550℃，在空气中的燃点为
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，