生长型金刚石聚晶的高温高压合成及其机理研究

发布时间：2016-10-22 06:36

第一章 绪 论

1.1 金刚石的结构和特性

金刚石单晶解理面的存在，使其在受到冲击力时容易破碎，因而在应用中受到了限制。金刚石聚晶无序的多晶构成形式，使其在性能上具有了各向同性、无解理面的特点。从使用成本上来讲，天然和人造金刚石大单晶价格不菲，而价格相对较低的磨料级金刚石单晶粒度太细，不适合单体使用。这些条件造成金刚石聚晶成为一种物美价廉的材料，在刀具制造上发挥了重大作用，被广泛地应用到众多加工行业。生长型金刚石聚晶不但可以根据需要制成多孔体材料、薄膜材料等多种结构，而且可以通过结构改造对其进行改性，使其应用范围不断地扩大，例如传统的生长型金刚石聚晶由于其内部的成分复杂和较多的晶界造成了整体的不透光性，2012年日本爱媛大学通过静态高压技术将高纯石墨制成透明的纯生长型金刚石聚晶，如图1.6所示，这种新的生长型金刚石聚晶材料[12]，有望弥补生长型金刚石聚晶在光学应用方面的缺陷。

1.2 生长型金刚石聚晶的结构、特性和用途

低压气相沉积法是在小于100kPa的条件下，使含碳气体中的碳原子在基底（种晶）表面达到过饱和，以金刚石结构沉积在基底表面。由于这一过程中伴随着一系列化学反应，因此这种方法被称为化学气相沉积法。此方法沉积的金刚石聚晶中晶粒细小，具有较高强度和耐磨性；不需要过渡族金属参与，使其具有良好的热稳定性。更值得注意的是，通过在含碳气体中添加杂质元素，可使沉积出金刚石聚晶膜具有非常好导电特性，目前此类金刚石膜主要用于光学及电子领域的功能材料。虽然此方式的缺点是合成过程中内部会残存石墨，影响整体性能，且合成周期长，产能低[68]。
......

第二章 生长型金刚石聚晶合成技术研究在人工合成金刚石的实验中，

由于此种方法中石墨溶解到金属中并形成金刚石核，只要很少量的金属包裹住金刚石就能持续的从周围的石墨中吸收碳源，所以此种方法被称为膜生长法（Film Growth Method）；由于是利用腔体中几毫米厚的金属层产的温度差，使高温处的金刚石溶解后在低温处析出生长，所以此种方法被称为温度差法(Temperature Gradient Method)。下面我们从热力学基本原理出发，分析影响这两种驱动力的因素。溶剂理论对单晶金刚石成中的碳素转化驱动力解释的非常完美，但是没有针对生长型金刚石聚晶合成中金刚石析出的驱动力进行专门的阐述，我们将结合溶剂理论的基本原理，在第五章中运用溶剂理论对金刚石聚晶的合成进行阐述。近年来，国内外研究人员发现在极端的高温高压条件(13GPa 和 2000℃的压力和温度以上)下，多种碳材料在无添加剂的情况下可直接转变成纯金刚石聚晶。这种纯金刚石聚晶在硬度、弹性模量、热稳定性和抗冲击韧性方面比金刚石单晶性能更好，具有广阔的应用前景。综上所示，本论文主要开展以下几方面的研究：1、在现有工业化一次加压高压设备能够提供的高温高压条件下，设计适合合成生长型聚晶的旁热式合成组装和工艺，并设计金刚石聚晶除金属工艺。2、采用镍基（Ni70Mn25Co5）为熔渗剂，摸索熔渗法合成生长型金刚石聚晶的条件，研究不同合成压力，合成温度，保温时间，初始金刚石粒度对金刚石聚晶生长的影响，并借助光学显微镜、扫描电镜、XRD、能谱和硬度仪等设备对合成样品进行表征。3、探索硼掺杂金刚石聚晶的合成，对合成的样品进行性能表征，研究合成条件对其导电性能影响的规律。4、在实验的基础上总结实验现象，分析熔渗法合成生长型金刚石聚晶的机理，并用溶剂理论对其过程进行分析解释。

第三章 生长型金刚石聚晶的高温高压合成及表征 ............21

第四章 生长型硼掺杂金刚石聚晶的合成及表征 ..............23
第五章 熔渗法合成生长型金刚石聚晶机理研究 ..............25
第六章 结论与展望 ...........27
6.1 结论.......... 27
6.2 展望................. 29

第五章 熔渗法合成生长型金刚石聚晶机理研究

但现有工业大腔体高压设备尚不能满足此类纯金刚石聚晶的合成条件，为了实现此类制品在工业应用领域的产业化，研究相对较低的压力和温度条件下纯金刚石聚晶合成技术，已成为目前的研究热点，，深受各国学者关注。1955 年美国 GE 公司在 Nature 上发表题为《MAN-MADE DIAMONDS》的文章，宣布在明显低于石墨直接转化为金刚石的条件下，用金属溶剂法实现了金刚石单晶合成[69]。随后大量研究表明在 6GPa 和 1500℃的压力和温度范围内金属溶剂可使碳以金刚石形析出，生长为金刚石单晶[74-78]。因此只要使碳以金刚石形式在金刚石颗粒间的溶液中析出生长，再将金刚石聚晶中的金属除去，得到纯金刚石聚晶就具有可行性。但实现此项技术的另一个关键点是在实现颗粒间充分粘结的前提下制造出贯穿整体的孔洞通道，有利于金属的排出。因此我们将在本论文中开展对熔渗法合成生长型金刚石聚晶的系统研究，利用金属熔渗造成的微通道，来尝试合成纯金刚石聚晶。

....

第六章 结论与展望

6.1 结论

本论文依据溶剂理论，采用全新设计的适合熔渗法合成生长型金刚石聚晶的新型旁热式组装工艺和先进的高温高压合成工艺，在国产六面顶压机上成功合成了优质生长型金刚石聚晶和硼掺杂金刚石聚晶，并采用特殊的净化处理工艺获得了生长型纯金刚石聚晶，提出了生长型金刚石聚晶的生长机制，为生长型纯金刚石聚晶的规模化生产提供了重要技术支撑。主要结论如下：1、设计了适合生长型金刚石聚晶合成的新型旁热式组装（已获得发明专利授权）和一次升压快速升温合成工艺（已获得发明专利授权），并提出了有效的净化处理工艺。2、以镍基（Ni70Mn25Co5）为熔渗剂的生长型金刚石聚晶的合成条件摸索，研究不同压力、温度、时间、粒度对金刚石聚晶生长的影响，并结合扫描电镜、XRD、能谱等测试设备分析规律.

6.2 展望

本文对熔渗法合成生长型金刚石聚晶进行了研究，将溶剂理论引入到熔渗法合成金刚石聚晶的合成理论中，在溶剂作用下合成了纯金刚石聚晶和硼掺杂金刚石聚晶，对于此项工作的研究还有很多工作有待后人进行研究：1、在现有一次加压的工业高压设备上成功的合成了纯金刚石聚晶，我们合成的生长型纯金刚石聚晶具有高硬度、高耐磨性等优点，具有广阔的应用前景，有待后人推进产业化生产。2、我们成功合成出了生长型硼掺杂金刚石聚晶，样品体现出了较好的导电性能，由于其多孔的结构特点更是电极材料的理想选择，有待后人推广其应用及产业化生产，并进一步对其超导特性等其他性能进行研究。

.....

参考文献（略）

本文编号：148763