人造金刚石用石墨性能的研究
合成金刚石选择石墨的原则
合成金刚石选择石墨的原则咱们今天来讲一讲合成金刚石时选择石墨的事儿。
这就像是我们做手工挑材料一样，可讲究啦。
金刚石可漂亮啦，它亮晶晶的，特别坚硬。
那怎么把石墨变成金刚石呢？这就像变魔术，但是这个魔术得选对石墨这个“小助手”。
有一种情况呀，就像我们挑水果一样，得挑新鲜的。
石墨要是很纯净的那种就特别好。
比如说，假如有一堆石墨，里面有很多杂质，就像我们吃的糖果里面混进了小石子，那可不行。
这些杂质就会捣乱，让合成金刚石的过程变得乱七八糟。
就像我们搭积木，如果积木块有坏的，那我们的小房子就搭不好啦。
纯净的石墨就像崭新的、没有一点破损的积木块，这样才有可能顺利变成金刚石呢。
还有哦，石墨的结构也很重要。
咱们可以把石墨想象成是一群小蚂蚁排着队。
如果小蚂蚁们排得整整齐齐，规规矩矩的，这样的结构就比较适合变成金刚石。
比如说，有的石墨就像是小蚂蚁们乱成一团，这样在要把它变成金刚石的时候，就像要把乱成一团的小蚂蚁重新整齐地排好队，可困难啦。
但是如果小蚂蚁本来就排得很整齐，就像训练有素的小士兵，那把它们变成金刚石这个新的“小队伍”就容易得多啦。
另外呀，石墨的大小也有讲究。
如果石墨太大块了，就像一个超级大的蛋糕，要把它整个变成金刚石可不容易呢。
这就好比我们想把一个大大的泥巴团捏成一个小小的精致的陶俑，很难做到每一处都变好。
可是如果石墨是小块小块的，就像小饼干一样，那我们就可以一块一块地把它们变成金刚石，这样就容易操作多啦。
我们再来说说价格。
就像我们买玩具一样，太贵的玩具可能爸爸妈妈就不会给我们买啦。
选择石墨也是这样，如果太贵的话，合成金刚石的成本就会变得特别高。
那就不划算了呀。
比如说有两种石墨，一种价格像天价一样，另一种价格比较合理，那当然是选择价格合理的那种啦，这样我们就能用比较少的钱来做合成金刚石这个有趣的事儿啦。
所以呀，在合成金刚石选择石墨的时候，就像我们挑选做游戏的小伙伴一样，要考虑很多方面呢，这样才能顺利地把石墨变成漂亮又坚硬的金刚石。
人造金刚石研究报告
人造金刚石研究报告摘要：人造金刚石是一种通过人工合成方式制备的具有类似天然金刚石结构和性质的新材料。
其在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具有广泛的应用前景。
本报告对人造金刚石的制备方法、性质以及应用进行了综述，并对其未来发展方向进行了展望。
1.引言金刚石是一种具有超高硬度和优异物理性质的自然矿物，然而，其稀缺性和高价值限制了其应用范围。
人造金刚石的问世填补了市场需求与供给之间的空白，为不同领域的应用提供了更多可能性。
2.人造金刚石的制备方法人造金刚石的制备方法主要包括高温高压法、化学气相沉积法和其他化学合成方法。
高温高压法是最早被使用的方法之一，通过在高温高压条件下模拟地壳中金刚石的形成过程制备人造金刚石。
化学气相沉积法则是将金属催化剂与烃类原料放置在高温高压下进行反应制备金刚石。
其他化学合成方法则采用不同的化学反应路径，在较低温度和压力条件下制备金刚石。
3.人造金刚石的性质人造金刚石的性质类似于天然金刚石，具有极高的硬度、热导率和光学透明性。
然而，人造金刚石也有其不同之处，如杂质含量较高、晶体结构略有差异。
人造金刚石的硬度和耐磨性使其在工业领域中有着广泛的应用，例如用于切削工具、磨料、光学器件等。
4.人造金刚石的应用人造金刚石因其独特的性质在多个领域得到了应用。
在切削工具领域，人造金刚石可制成高速切削刀具，用于加工硬质材料；在电子学领域，人造金刚石具有优异的热导率和绝缘性能，可用于制备高功率电子设备的散热材料；在光学领域，人造金刚石可用于制备光学窗口、透镜和激光器件等。
5.人造金刚石的未来发展随着科技的进步和人造金刚石制备技术的不断发展，人造金刚石在未来有着广阔的应用前景。
研究人员正在尝试改进制备方法，提高人造金刚石的质量和晶体尺寸，以满足不同应用需求。
此外，人造金刚石的微纳加工技术也是一个研究的热点，将有助于人造金刚石在纳米器件和生物医学领域的应用。
结论：人造金刚石作为一种新的材料，在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具备多种应用潜力。
人造金刚石用石墨性能的研究
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李 和胜 ｈ ， 木 森 ｈ 李
（． １ 山东大学 材料科学与工程学院 ， 山东 济南 ２ ０ ６ ；． ５ ０ １２ 山东省超硬材料工程技术研究中心 ， 山东 邹城 ２ ３ ０ ） ７ ５ ０
摘
要 ： 于 合 成 金 刚 石 的 石 墨 具 有 三 个 功 用 —— 碳 源 、 用 热源 和 受 压 介 质 ， 性 能 直 接 关 系着 金 刚 石 的 质 其
维普资讯
第 １ ９卷 第 １期
２ ０ 年 ２月 ０７
超 硬 材 料 工 程
Ｓ ＵＰＥＲＨＡＲＤ ＡＴＥＲＩ Ｍ ＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
ＶＯ ． ９ １１
Ｆ ｂ ２ ０ ｅ ．０７
人 造 金 刚 石 用石 墨 性 能 的研 究 ①
ｈ ａ ｏ ｒｅ ａ ｄ ｐ ｅ ｓ ｍｅ ｉ ｍ ． ｅ ｍａｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｏ ｒ ｐ ｉ ｒ ｅ ｙ ｉ ｐ ｒａ ｔｆ ｒ ｅ ｔｓ ｕ ｃ ｎ ｒ ｓ ｄｕ Ｔｈ ｉ ｒ ｐ ｒｉ ｆｇ ａ ｈｔ ａ ｅ ｖ ｒ ｍ ｏ ｔｎ ｏ ｅ ｅ ｓ ｎ ｈ ｓｚｎ ｉｍｏ ｄ ｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈ ｉ ｅ ｆｃｓ ｏ ｈ ｕ ｌ ｙ ｏ ｉｍｏ ｄ Ｔｈ ｔ ｄ ｎ ｙ ｔ ｅ ｉｉ ｇ ｄａ ｎ ｅ ａ ｓ ｆｔ ｅｒ ｆｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｑ ａｉ ｆｄ ａ ｎ ． ｔ ｅｓｕ ｙ ｏ ｇ ａ ｈ ｔ ａｉ ｎ ｄ ｇ ｅ ｐ ｒ ｓｔ （ ｏｕ ｅ ｓｔ ， ｕ ｉｙ，ｅ ｉｔ ｎ ｅｃ ｅ ｆ ｉｎ ｎ ｒ ｓａ ｒ ｐ ｉｉ ｔ ｅ ｒｅ， ｏ ｏ ｉｙ ｖ ｌ ｍｅ ｄ ｎ ｉ ｚ ｏ ｙ） ｐ ｒｔ ｒｓｓ ａ ｃ ｏ ｆｉ ｅ ｔａ ｄ ｃ ｙ ｔｌ ｃ
合成金刚石的碳源——“三高一大”石墨
合成金刚石的碳源——“三高一大”石墨我们都知道，从理论上说任何形式的碳，只要充足热力学和动力学条件，都可以转化成金刚石，但工业生产中，合成金刚石的碳源材料是石墨，同时石墨还是发热体，在高压腔里还是受压介质。
那么石墨都有哪些类型呢？石墨包括天然石墨、定向石墨、等静压石墨、纳米石墨、其他石墨。
近年来我国人工合成金刚石重要实行粉末触媒技术，碳源以天然鳞片状石墨为主。
我国是天然鳞片状石墨生产大国，石墨资源丰富，储量巨大。
天然石墨纯洁者很少，常含有大量其他成分，如SiO2、AI2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO等。
用于金刚石合成的天然石墨需具有高石墨化度、高密度、高纯度，行业内称之为“三高”石墨。
之后专家学者们又提出了“三高一大”石墨，加添了石墨晶粒大的特性。
接下来我们分别简单介绍一下：一、石墨化度石墨化度是指碳素材料的晶体结构接近于理想石墨晶体何种程度的比率，石墨化度视晶体层间的大小而定，是表示晶体完整程度的重要指标。
试验证明，石墨化程度越高的样品，在熔融催化剂合金中的溶解度和溶解速度都越大，合成所用时间越短，生成金刚石的产量越多，这是合成金刚石的必要条件。
假如石墨材料的石墨化度很低，那么其结晶就不完善，晶格缺陷就会多，很多键合也不坚固，分解就比较简单，石墨向金刚石变化的晶核较多，金刚石晶体长大所需的碳原子不充分，晶体的长大得不到保障，就很难合成出好的金刚石。
天然石墨，特别是鳞片状石墨依矿床地域不同其石墨化度有所差异，但其数值均较高。
二、密度及气孔率从宏观上说，气孔率是指制品中的空隙，它们是直接影响聚积密度的空隙；从微观上说，气孔率是指结构缺陷，如空的晶格点，也是一种气孔，就是这种气孔缺陷对金刚石结晶有很大的贡献。
实践证明，掌控碳源肯定的气孔率就可以掌控金刚石的成核和生长，从而掌控金刚石的合成效果。
在金刚石的合成过程中，碳源的密度越低，气孔率越大，开口气孔就越多，碳源与触媒合金的接触面也就越大，石墨与触媒合金相互作用的机会也就越多，分散、溶解速度就越快，从而有利于石墨向金刚石的变化。
课题金刚石、石墨
造电子器件和光电器件。
金刚石的化学性质
01
02
03
稳定性
金刚石在常温常压下稳定， 不与酸、碱、盐等发生反 应。
抗氧化性
金刚石具有很强的抗氧化 性，不易被氧化。
耐腐蚀性
金刚石对大多数酸、碱、 盐等化学试剂具有较好的 耐腐蚀性。
金刚石的应用领域
工业领域
02
金刚石
金刚石的物理性质
硬度
金刚石是自然界中已知的最硬的 物质，其摩氏硬度为10，具有极
高的抗磨损性能。
热导率
金刚石具有极高的热导率，是 铜的5倍，铝的15倍，使其成为 电子设备散热器的理想材料。
光学特性
金刚石具有优良的光学性能，透 明度高，折射率高，广泛用于制 造高级光学仪器和切割工具。
电性能
金刚石和石墨的化学性质相对稳定， 金刚石在常温常压下不与强酸、强碱 反应，而石墨能与强酸反应生成对应 的碳盐。在高温高压条件下，金刚石 可以发生氧化反应生成二氧化碳。
由于金刚石和石墨具有独特的物理和 化学性质，它们在工业生产、科研、 航空航天等领域有着广泛的应用。例 如，金刚石可以用于制造切割工具、 钻探设备等，石墨可以用于制造电池 、电极等。
灰更硬。
密度
金刚石的密度比石墨高，大约为 3.515克/立方厘米，而石墨的密度 为2.25克/立方厘米。
导热性
金刚石是热的不良导体，而石墨具 有良好的导热性，常用于散热和导 热材料。
化学性质的差异
稳定性
金刚石在常温常压下稳定，不易与其他物质发生化学反应； 而石墨在高温和氧化环境下不稳定，容易与酸、碱等物质发 生反应。
还原性
石墨具有较强的还原性，可以还原金属氧化物和某些盐类； 而金刚石的还原性较弱，但可以在高温高压下与氢气反应生 成甲烷。
了解人造金刚石用非金属矿物功能材料
了解人造金刚石用非金属矿物功能材料人造金刚石作为一种无机非金属材料，属新材料范畴，具有超高硬度、突出耐磨性能等特性，广泛应用在机械加工、石材工业、建筑工业、地质钻探与开采、光学玻璃、电子工业、信息工业等行业。
人造金刚石是目前已知材料中硬度最高的材料，其合成离不开非金属矿物功能材料的参加，其中石墨、叶腊石、白云石等非金属矿物在人造金刚石合成中发挥着不可替代的作用。
1、人造金刚石合成方法人造金刚石的合成依照合成条件可以分为高压合成法和低压合成法，依照转化方式又可以分为间接转化法和直接转化法。
间接静压法能够保证产品有可重复的尺寸、形状和韧性（或脆性），大约90%的工业用金刚石采纳这种方法合成。
金刚石合成所需要的温度与压力条件2、人造金刚石合成用非金属矿物功能材料人造金刚石合成原材料重要有石墨粉、叶腊石粉、金属触媒、预合金粉、白云石粉等，一般情况下，这些上游原辅材料成本占金刚石合成成本的60—70%，其中石墨、金属触媒一般供应充分，但叶腊石存在肯定的进展瓶颈。
下面我们将分别就石墨、叶腊石、白云石在人造金刚石合成中的作用进行介绍。
人造金刚石产业链（1）石墨材料石墨材料是合成人造金刚石的重要原材料。
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变化来生成金刚石。
石墨除为金刚石生长供给必需的碳源外，还用于辅佑襄助加热或者改善腔体温度分布。
人造金刚石用石墨材料的性能指标重要有石墨化度、气孔率与密度、灰分（纯度）与电阻率、晶体结构等，这些重要性能之间具有极高的相互关联性，并统一于石墨这个整体中。
因此，在选择合成金刚石用石墨材料时应当综合考虑其各项性能，并应针对不同的实际生产条件进行选择。
GB/T14898—2023国标对几种人造金刚石用石墨材料理化性能的规定（2）叶腊石叶腊石是高温高压合成金刚石过程中一种不可或缺的辅佑襄助原材料，其具有较高的压力传递效率，核心功能是密封、保温、绝缘。
在金刚石合成过程中，由叶腊石挤压形成的密封边，具有极佳的绝缘性、密封性能。
人造金刚石和金刚石薄膜
人造金刚石和金刚石薄膜
早在20世纪30年代就已经有了生产人造金刚石的工厂，只是传统工艺所用的原料一直是石墨。
由于石墨的密度大约只有金刚石的2/3，所以完成这个变化需要高温和高压的条件。
遗憾的是，这样做成的人造金刚石虽然和天然金刚石硬度相当，但是透明度和外形都达不到天然金刚石的水平。
20世纪80年代，人们发现人造金刚石在半导体制造行业具有广泛的应用前景。
因为计算机芯片的基体材料硅的导热性不好，这成为进一步提高技术时的难题。
而金刚石在导热性方面远远超过硅（甚至超过铜和银），于是它成了芯片基体材料的最佳选择。
正是这种需求推动了人造金刚石的研究。
人们想到，金刚石既然是碳的一种单质，为什么不可以用碳原子作为构建金刚石晶体的原料，而一定要通过破坏石墨的晶体来完成呢？灵巧的化学家很快就完成了这项研究。
透明的、晶莹璀璨的人造金刚石就这样在实验室里诞生了。
虽然还没有能够制造出大颗粒的金刚石晶体（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经制成了金刚石的薄膜。
目前，金刚石用作芯片仍处于研究阶段，但是金刚石膜和金刚石粉已经在其他领域中获得了应用，如激光窗口涂层、高速转动轴承的涂层等。
最有趣的是，当扩音器的纸盒上涂敷金刚石粉后，音质可以大为改善。
我们期待着大颗粒人造金刚石的商品化。
那时，不仅计算机会因此变得更小、更快，而且金刚石也会像20世纪初的铝一样进入平民百姓家。
高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚石
高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚石
用多砧压机在压力为12~25GPa、温度为1800℃~2500℃的条件下,通过石墨直接转化的方法已经合成出纯聚晶金刚石聚合体。
这种聚晶金刚石是无色透明的,而且通过微束X-射线观察可确定它具有立方对称性。
通过TEM观察可看出,样品是由10~20nm的金刚石单晶微粒构成的,通过拉曼光谱仪可以观察到,它的拉曼光谱中只有一条很弱的宽峰,其拉曼位移为~1331cm-1。
压痕法硬度测试表明,这种聚晶金刚石的努普硬度最高可达到140GPa,这个硬度等于甚至高于天然金刚石和合成金刚石的硬度(60~130GPa),而约为含有粘接剂的聚晶金刚石的硬度(50~60GPa)的二倍。
实验结果表明,天然聚晶金刚石可能是由包裹在寒冷的硬壳中的亚稳态石墨下沉到较热的区域,如地幔转化区域中上升的岩浆,而发生快速转化形成的。
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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)01-0013-06Study on properties of the graphite used for synthesizing diamondLI 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 forsynthesizing diamo nd because o f their effects on the quality of diamond.T he study o ng raphitization deg ree,por osity(volume density),purity,resistance coefficient and crystalstr ucture etc of g raphite is sum marized.On the basis of the research results,the conclusio ncan be draw n that the proper ties o f g raphite w hich satisfy different functions and thefactual pr oduce condition should be thoug ht over w hen selecting the stuff for synthesizingdiam ond.It can be forejudged that the dev elo pm ent of pow der graphite and assistant heatmaterials w hich adapt to the trend of press apparatus enlarg ing and pow der synthesizingtechno logy w ill be v ery rapid.Keywords:synthetic diamond;gr aphite m aterials;sum mary;properties0 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。
主要原料[9～10]。
作为金刚石生长的直接原料,石墨材料的性能对金刚石的质量有着直接的影响。
作为研制高品位人造金刚石的第一步,对石墨材料的性能作系统的研究,针对不同的合成条件进行选择是十分必要的。
同时,实践也表明,在有无金属触媒的参与下,石墨都能转变成金刚石,只是发生相变的条件不同而已。
但是,采用不同的石墨材料合成金刚石所获得的效果是不同的,有的甚至差别甚大。
因此,系统研究石墨材料的性能,开展对石墨材料与人造金刚石晶体生长关系的研究,具有十分重要的实践和理论意义[11]。
自1963年我国首次成功合成金刚石以后,在相当长的一段时间内,并没有具体的理论来指导碳源的选用[12]。
直到1973年苟清泉教授提出采用“三高”石墨(高石墨化度、高密度、高纯度)作为合成金刚石用碳源后,金刚石行业才有了选择石墨材料理论依据[13]。
但这个依据仅仅考虑了石墨的碳源属性,并未涉及石墨的其他属性。
随着研究的深入,业内专家学者在苟清泉先生所提理论的基础上,对人造金刚石用石墨材料的选用原则作了进一步的阐发,在充分考虑其碳源特性的基础上,对石墨材料的其他性能,如理化性能、机械性能等作了详细地探讨和研究。
1 人造金刚石用石墨的主要性能1.1 石墨化度石墨化度(G/r1)是指碳素材料的晶体结构接近理想石墨晶体的程度,石墨化度视晶体的层间距的大小而定,是表征完整程度的重要指标。
一般石墨材料石墨化度的测定是将利用X射线衍射法测定的石墨的d(002)值与其理论值进行比较,用M ering和Maire 公式进行计算:G=(0.34400-d(002))/(0.34400-0.33538)(1) 式中:0.34400nm——完全无序的无定形碳的层间距; 0.33538nm——理想石墨晶体的层间距。
如果测定试样的d(002)值越接近理论值0.33538 nm,则表示该试样石墨化程度高,或者说试样中具有理想石墨晶格的颗粒多[14～15]。
石墨化度高的石墨晶体层面方向尺寸大,六角网络比较完整,且比较有规则的互相叠合。
层面上碳原子间距为0.1421nm,碳原子之间属于混合键型,由 键与大 键叠加而成,键能很高,达460.5kJ/mol。
但是,层间强度较高的交叉键( 键)较少,仅以键能为4.18kJ/mo l的弱范德华力键连结[16～17]。
因此,在高温高压下受到熔融金属浸渗时,石墨易沿层间发生解理,破坏掉范德华力,使碳原子六角层面从块状碳源中一片或几片的分离出来而溶入金属,并进一步分散为胶体大小的原子团而成为胶体溶液,这些原子团可作为金刚石的晶核[18]。
因而,从理论上讲,碳源石墨的石墨化度越高,金刚石晶核数量也就越多,产量也就越高,而且一般质量也越好[19～20]。
王松顺先生曾采用不同石墨化度的石墨材料做过金刚石合成试验。
实验表明,不同石墨化程度的碳源材料的金刚石合成效果也不同。
采用石墨化程度为92%的石墨材料做碳源,金刚石合成在产量、强度与粗粒度上比要比采用石墨化程度为20%和80%的石墨材料做碳源合成的分别高90.5%与15.6%、53.2%与24.2%、28.1% (20%石墨化程度的石墨无粗粒度)[21]。
但是在生产实践中发现,作为合成金刚石碳源使用的石墨材料,并非石墨化度越高越好。
首先,石墨的石墨化度高,石墨向金刚石的转化率高,成核太多。
尤其是在片状工艺中,金刚石大多在石墨片与触媒片的接触表面成核,易导致碳源供应不足,而且晶粒的生长空间也受到了限制,难以生成粗颗粒。
其次,石墨的石墨化度太高,导致质软、机械强度差,经高压后挤得很紧,与触媒的接触面上几乎不存在开口气孔,熔化的触媒难以渗入到石墨中,晶体没有长大延伸的空间。
再者,石墨化度高的石墨,灰分和电阻率低,导致合成块的电阻(R)偏小,在Q值不变,即合成温度(T)不变的情况下,由于R降低,势必要提高加热电流(I)才能满足合成工艺的要求。
加热电流增高,极易烧坏导电钢圈,增加锤耗[22]。
最后,碳源的石墨化度越高,说明其晶体结构越完善,键能较高,难以分解,即在高温高压下发生结构转变生成金刚石所需转化能也越高,不利于金刚石的形成[23]。
大量的实验研究证明,在两面顶压机上采用石墨化程度在90%以上的石墨片或是石墨粉作原料是较理想的。
但在六面顶压机上,石墨化程度在50%～93%之间的石墨片都曾采用过,但是为了合成高品级金刚石,必须遵循慢速生长的原则,石墨化程度应定位在76%～86%之间。
如果要合成高单产、中高档的金刚石,石墨材料的石墨化度应在86%～93%,一般石墨化程度低于75%的合成效果会显著下降。
用于六面顶合成粗颗粒高强度金刚石的纯净石墨粉,其石墨化程度应大于93%;用于合成细粒度磨料级金刚石的石墨粉,其石墨化程度大于70%[24]。
141.2 密度与气孔率石墨材料的密度( )有两种:真密度和体积密度。
真密度( z)一般采用X射线衍射法测定石墨晶格常数a和c的尺寸(A),通过计算而得[16]。
z=(12.1l×1.5963×10-24)×4/(a2・sin60・c)(2)在生产中经常使用体积密度( 1)来表示。
它的定义是单位体积的制品质量,其中包括气孔的体积,一般采用体积-重量法进行测定[25]。
石墨的气孔率(K)是制品中孔隙所占体积与制品体积的比值,计算公式如下:K(%)= z- 31(3) 式中: z—真密度(g/cm3);1—体积密度(g/cm3)。
公式(3)中计算出来的气孔率包含三种类型的气孔——开口孔、连通孔和闭孔,亦称为“全气孔率”[20～22]。
对于合成金刚石用石墨材料来说,气孔率与密度在本质上是一种性质,并直接影响其机械强度(含抗弯和抗折强度)。
一般说来,同一种材质的石墨,其体积密度越高,气孔率就越低,机械强度就越高;反之,体积密度低,气孔率高,机械强度低[24]。
石墨体积密度的大小还对一系列其他理化性能有重大影响,如耐磨性、电阻率、热导率、膨胀系数、渗透性、化学反应能力等[20]。