优质Ⅱa型宝石级金刚石的合成技术

本文采用FeNiCo(KOV)触媒，在国产六面顶压机上，利用温度梯度法首次成功生长出尺寸约4mm的优质Ⅱa型无色透明的宝石级金刚石单晶。并通过对宝石级金刚石合成过程中除氮剂性质的研究，除氮剂添加量对生长晶体的影响，优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶生长速度的控制等，介绍了在国产六面顶压机上生长Ⅱa型金刚石单晶的相关技术。实验结果表明，为了降低金刚石内部氮的含量，生长优质Ⅱa型金刚石单晶，需在合成腔体内部加入一定含量的除氮剂一钛。钛的含量在1wt％以上时的除氮效果较好，但钛添加过量(大于2wt％)又影响晶体生长的质量。     

用NiMnCo触媒合成优质Ⅱa型金刚石大单晶

用N iMnCo触媒利用温度梯度法在高温高压下合成优质Ⅱa型宝石级金刚石。研究发现在约5.5GPa和1230℃的条件下,除氮剂Ti(Cu)的加入使合成金刚石的温度区间下限抬高而变窄,因而在设备控制精度符合要求的条件下实验解决了组装的稳定性问题;与此同时Ti(Cu)的加入也使金刚石晶体生长过程中更易俘获包裹体而出现熔坑,从而影响晶体的生长速度。本文分析了Ti(Cu)掺入量对晶体生长速度的影响。实验表明合成无色Ⅱa型宝石级金刚石合适的Ti(Cu)掺入量为1.8 wt%。降低生长速度使包裹体和熔坑问题得到解决。实验获得了~4mm的优质Ⅱa型金刚石大单晶。红外测试分析表明该金刚石含氮量小于1×10-6。     

在Fe-Al-C系统中合成优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶

和优质Ib型宝石级金刚石单晶生长相比，作为当今高温高压晶体生长的一种高精尖技术，优质1／a型宝石级金刚石单晶对合成技术提出了更高更苛刻的要求：枢研究从晶体的生长速度出发，发现一开始阶段（大约几个小时）的晶体生长速度对优质宝石级金刚石单晶的后期生长争关重要。埘Fe-Al-C系统（Al含量不大于2．5wt％）来说，采用多品种法将晶体开始阶段的晶体生长速度由1．5mg／h降至0．5mg／h后，对生长过程中金属包裹体的进入有了明显的抑制作用，晶体的质量有了很大提高。从晶体中包裹体的存任形式来看，为了获得优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶，在触媒中人为地添加除氮剂给晶体生长过程中的排杂过程带来了很大的难度：为了更好的实现排杂，必须很好的处理晶体表面的径向平铺生长速度和晶体轴向的堆积生长速度之间的火系。     

Ⅱa型优质金刚石大单晶的合成

在触媒KOV(FeNiGo合金)的基础上加上一定含量的的Ti和Cu，用温度梯度法首次在国产的六面顶压机上合成出-1．5mm高质量的Ⅱa型金刚石单晶。分析了合成Ⅱa型金刚石单晶过程中出现晶体表面熔坑现象的原因。晶种的质量和清洁度导致晶体表面熔坑的一个重要原因。通过降低晶体的生长速度可以避免熔坑的出现。     

宝石级金刚石的生长速度与晶体品质的关系

高温高压温度梯度法是一种有效的合成宝石级金刚石单晶的方法。金刚石生长速度的控制非常关键。金刚石生长速度过快，得不到优质单晶；生长速度太慢又不利于商业化生产。在本文中我们在国产六面顶液压机上合成Ib型宝石级金刚石。对短时间（3小时）合成的晶体生长速度与金刚石品质之间的关系进行了研究。对于生长时间小于3小时的金刚石：当生长速度超过2mg／h时，晶体的品质较差；当生长速度小于2mg／h时，可以获得优质晶体。我们分析了实验中包裹体、熔坑、自发核和连晶的形成原因。并认为过快的生长速度是导致这些现象出现的主要因素。所以为获得优质晶体，在金刚石生长的初期（3小时内）生长速度应控制在2mg／h以下。     

在Fe-Al-C系统中合成优质IIa型宝石级金刚石单晶

和优质Ib型宝石级金刚石单晶生长相比,作为当今高温高压晶体生长的一种高精尖技术,优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶对合成技术提出了更高更苛刻的要求。本研究从晶体的生长速度出发,发现一开始阶段(大约几个小时)的晶体生长速度对优质宝石级金刚石单晶的后期生长至关重要。对Fe-A l-C系统(A l含量不大于2.5wt%)来说,采用多晶种法将晶体开始阶段的晶体生长速度由1.5mg/h降至0.5mg/h后,对生长过程中金属包裹体的进入有了明显的抑制作用,晶体的质量有了很大提高。从晶体中包裹体的存在形式来看,为了获得优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶,在触媒中人为地添加除氮剂给晶体生长过程中的排杂过程带来了很大的难度。为了更好的实现排杂,必须很好的处理晶体表面的径向平铺生长速度和晶体轴向的堆积生长速度之间的关系。     

在FeNiCo-C系统中生长板状Ⅰb型宝石级金刚石

FeNiCo触媒作为一种合成金刚石的新型触媒材料,在金刚石制造业中有着广泛的应用。而板状宝石级金刚石大单晶由于具有诸多优异性能,在各个领域具有很重要的应用价值。本研究在高温高压条件下,利用温度梯度法在FeNiCo触媒中生长板状的Ⅰb型宝石级金刚石。实验表明,调整晶床高度使金刚石具有适宜的生长速度0.34 mg/h;沿﹛100﹜面生长优质板状Ⅰb型宝石级金刚石的最佳温度区间为1 209～1 216℃;在此基础上合成出尺寸达3 mm的优质板状Ⅰb型宝石级金刚石大单晶。     

快速生长优质宝石级金刚石大单晶

高温高压温差法合成优质宝石级金刚石大单晶的一大弊病就是合成周期特别长。晶体的生长速度主要由腔体内的温度梯度决定。本文通过提高腔体内的温度梯度，实现了优质宝石级金刚石单晶的可重复性快速生长；考察了不同温度下的晶体生长情况，提出利用“限型生长法”来抑制晶体内金属包裹体的进入。最终将优质宝石级金刚石单晶的生长速度提高了4倍之多，由原来的1．1mg／h提高到了4．5mg／h。在合成压力5．5GPa，温度1250℃条件下，合成时间持续12hr，晶体尺寸接近4mm，重量大约为50mg。     

我国宝石级金刚石单晶的发展现状

金刚石是一种用途广泛的极限性功能材料。宝石级金刚石单晶可广泛地用于高硬度材料的高精密机械加工,半导体激光器和高功率激光武器等的散热片,航空航天领域的窗口材料、光学材料和宽禁带半导体材料等,在现代高技术领域和国防工业中扮演着越来越重要的角色。本文系统地阐述了我国宝石级金刚石单晶的发展现状。本课题组经过多年的不懈努力,在国产六面顶高温高压设备上实现了不同类型宝石级金刚石单晶的可重复生长。我们合成出了尺寸达8mm的优质Ⅰb型金刚石单晶,4mm级的无色透明的高纯Ⅱa型和蓝黑色Ⅱb型宝石级金刚石单晶,5mm的绿色氮重掺杂金刚石单晶,使我国成为继美国、日本、英国等国之后能够合成多种类型宝石级金刚石单晶的少数国家之一。     

不同金属触媒对金刚石中氮含量的影响

利用高温高压静压触媒法合成金刚石单晶过程中,如果不采取特殊除氮措施,晶体中的氮杂质含量会因为触媒不同而不同,晶体颜色表现出深度不同的黄色。本研究就不同触媒利用温度梯度法合成的宝石级金刚石单晶中的杂质氮进行了显微红外测试,并且发现当触媒中微量与氮有关的添加剂存在时,晶体中氮含量会发生明显变化。例如,使用N i基N iMnCo触媒得到的宝石级金刚石单晶含氮量大约在400×10-6;而采用Fe基FeN iCo触媒得到的晶体含氮量约在150×10-6。然而当触媒中存在微量(1wt‰)NaN3时,无论Fe基还是N i基触媒,晶体中的含氮量均提高到700×10-6左右,这说明触媒中存在微量添加剂时可能会明显影响到触媒和晶体的性质。     

《金刚石与磨料磨具工程》2006年总目次

第一期直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的研究……………………………………………………………丁发柱石玉龙宝石级金刚石的生长速度与晶体品质的关系…………………………………………………………田宇马红安臧传义等铝对生长Ⅱa型宝石级金刚石的影响…………………………………………………………………李尚升马红安臧传义等Study of filament performance in heat transfer and hydrogen dissociation in diamond chemical vapor deposition………………………………………………………………………………………………Qi Xueg…     

电子辐照处理Ⅱa型金刚石的颜色变化研究

利用高能电子加速器对经由温度梯度法获取的人工合成Ⅱa型金刚石大单晶进行辐照,使用光谱辐照度计、DiamondView以及红外吸收光谱仪对实验前后样品的颜色及显微形貌进行观察和分析。实验发现:经过高能电子辐照后,无色的Ⅱa型金刚石单晶可以处理成粉色,同时金刚石表面出现灼烧痕迹,而处理后晶体的DiamondView荧光则由淡蓝色变为金黄色。      

宝石级金刚石单晶生长机制的研究---低速生长条件下的晶体生长特性

高温高压温差法生长优质宝石级金刚石单晶要求严格控制晶体的生长速度，因为晶体生长速度过快会导致熔体金属来不及扩散从而在晶体中产生包裹体，影响晶体的质量。本文考察了低速生长条件下宝石级金刚石单晶的生长情况，结果发现，在以{100}面作为晶种的生长面的情况下，无论合成温度高低，低速生长(本文中为0．40mg/h)出的晶体中均不存在金属包裹体，这与日本住友公司早期的结果有所不同。     

微量元素对人工培育宝石级大单晶钻石颜色的影响

利用六面顶压机采用高温高压法，以FeCo40合金为触媒，高纯石墨为碳源，在一定压力及温度梯度下研究不同微量元素的添加对培育宝石级大单晶钻石颜色的影响。结果发现:随着Ti添加量的增加，培育宝石级大单晶钻石的颜色由深黄色变为浅黄色，直至无色；同时，添加微量元素B，晶体颜色由无色变成淡蓝色，直至深蓝色。      

含硫金刚石的合成及杂质分析

本文分别用Ni70Mn25Co5合金粉末和含添加剂硫的Ni70Mn25Co5合金粉末作触媒合成了金刚石单晶，通过对比，发现添加剂硫的引入使得金刚石内的包裹体含量增加，使晶体表面出现熔坑；利用X射线荧光光谱对晶体的杂质成分、相对含量进行了分析，发现杂质元素锰、硫的含量随着触媒中硫的添加量的增加呈增加趋势，由此推测在金刚石生长过程中生成了难熔的MnS，MnS以包裹体的形式进入金刚石中，在一定程度上破坏了金刚石的晶格排列，使得表面出现熔坑。     

宝石级金刚石合成用反应容器材料稳定性研究

系统地研究了不同反应容器材料在高温高压下的长时间物理化学稳定性。采用1000℃烧结的纯叶蜡石管，叶蜡石氧化镁混合管与石英管做反应容器材料，分别进行了宝石级金刚石的合成研究。结果表明用1000℃烧结纯叶蜡石管和叶蜡石氧化镁混合管做反应容器材料在恒功率加热的合成过程中，加热电压一直存在上升趋势，不适合用作优质宝石级金刚石单晶生长的反应容器材料。高温高压下完全柯石英化的国产石英管稳定性好，强于高温（1000℃）焙烧过纯叶蜡石和叶蜡石和氧化镁混合材料，而且石英管做反应容器材料生长出的宝石级金刚石单品品面完整，显微镜下几乎没有发现包裹体和缺陷，这说明国产石英管适合做宝石级金刚石单晶合成用的反应容器材料。     

微量NaN3掺杂对宝石级金刚石合成的影响

利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶过程中,在碳源或者触媒体系中进行微量掺杂,会显著改变晶体生长性质.本研究在NiMnCo-C体系中掺杂微量NaN3,发现体系中微量NaN3的存在,不仅仅会影响到晶体中的氮含量,对晶体生长过程也存在明显的影响.当体系中NaN3分布不均时,单晶生长遭到严重破坏,籽晶没有起到引导晶体生长作用,晶体呈现不规则的凌乱生长状态,以条柱状和片层状生长为主;当体系中微量NaN3分布均一时,晶体生长变得规则,可以得到晶型完整的单晶金刚石.但随着NaN3含量增加,超过碳源重量比例的0.4wt%时,晶体生长过程受到严重抑制,高氮含量宝石级金刚石单晶的持续生长很难维持下去,这同样证明了较多NaN3存在时的杂乱晶体生长,是由于体系中NaN3局部位置含量差别较大造成的.     

使用高温烧结氧化铝陶瓷温度梯度法合成宝石级金刚石

在高温高压下采用温度梯度法合成宝石级金刚石，采用高纯氧化铝粉烧结制备氧化铝陶瓷腔体保温材料，研究不同烧结温度下的氧化铝陶瓷性能以及用作腔体保温材料时对应的晶体生长情况。研究表明:随着氧化铝烧结温度的提升，氧化铝陶瓷的密度增大，显气孔率降低，所对应的晶体生长速度增大，晶体内夹杂物减少。1 650 ℃烧结4 h时，氧化铝陶瓷相对密度为97%，显气孔率为0.05%；用于保温腔体材料时，可制得质量为0.4 g(2 ct)、生长速度达4.0 mg/h的基本不含任何夹杂物的高品级金刚石。      

用含添加剂硫的粉末触媒合成金刚石

本文分别用铁镍触媒、含添加剂硫的铁镍触媒在国产六面顶压机上合成了优质金刚石单晶，利用光学显微镜观察，发现所合成的金刚石多为六八面体，晶形完整；在大多数用含添加剂硫的铁镍触媒合成的金刚石的{100}面，有熔坑出现，而用铁镍触媒合成的金刚石没有这种现象；用电子显微镜对熔坑的形貌进行了细致的观察。另外，还发现用含添加剂硫的铁镍触媒合成的金刚石中的包裹体要明显少于用铁镍触媒合成的金刚石中的包裹体。     

激光熔覆AZ91D镁合金的界面特征和耐磨性研究

在AZ91D镁合金表面激光熔覆Al Al2O3粉末制得复合涂层.用X-ray衍射确定激光熔覆层的相结构,用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察激光熔覆层和AZ91D基体之间的结合区域的生长形态.结果显示,在激光熔覆层中Al2O3颗粒的分布是均匀的,结合区晶体的生长形态是一种独特的柱状树枝晶.温度梯度、树枝晶生长和熔池的凝固速度均影响它的形成.与AZ91D基体相比,激光熔覆层的耐磨性得到了改进.