高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究（上）

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子（团）扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子（团）扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石单晶的机理研究（上）

从三个方面综合介绍了本课题组近几年来采用Fe-Ni-C系在高温高压下合成优质金刚石单晶的研究成果：1）采用单质金属铁、镍粉和石墨粉以及粉末冶金方法制备出新型铁基触媒,利用六面顶压机合成了高品位的金刚石单晶;2）采用现代分析测试方法对金刚石单晶外的金属包覆膜物相结构进行了系统表征和分析;3）基于固体与分子经验电子理论（EET理论）和托马斯-费米-狄拉克-程开甲理论（TFDC理论）对金刚石合成过程中相关物相（金刚石、石墨、Fe3C（（Fe,Ni）3C）和γ-（Fe,Ni）等）的价电子结构进行了计算和论证。实验分析与理论研究结果表明,单质金属粉辅以粉末冶金方法同样可以实现高品位金刚石单晶的合成;金属包覆膜中存在大量的Fe3C、（Fe,Ni）3C类型的金属碳化物和γ-（Fe,Ni）型金属中间相,且γ-（Fe,Ni）与金属碳化物的对应晶面之间存在相互平行的位向关系;金刚石与石墨主要晶面间的平均共价电子密度在一级近似条件下均不连续,而Fe3C与金刚石或Fe3C与γ-（Fe,Ni）之间存在界面电子密度连续性,因此证明Fe3C/金刚石界面能够满足金刚石生长的边界条件。研究结果表明,金刚石单晶生长的碳源并非直接来源于石墨,而来源于在金属中间相的催化作用下,由金属碳化物过渡相中脱溶出的、具有类SP3杂化态的C-C原子团,因此从实验和理论上进一步支持了金刚石合成的＂溶剂-催化＂理论。     

高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究(下)

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子(团)扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子(团)扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石单晶的机理研究（下）

2 金属包覆膜物相结构的系统表征[16] 2．1 金属包覆膜的形成 片状工艺中金刚石在触媒与碳片界面处形核,优先向碳源充足的碳片一侧生长,生长前端总是包覆着一层金属熔体。     

新型含硼聚硅酸铝铁絮凝剂处理造纸废水的研究

利用硅酸钠、硫酸铝、硫酸铁和四硼酸钠制备一种新型无机高分子絮凝剂含硼聚硅酸铝铁（PSAFB）,并利用单因素分析法确定了最佳制备条件：硅酸钠量浓度为0.4 mol/L、n（Fe）∶n（Si）=0.5、n（Al）∶n（Si）=1.5和n（B）∶n（Si）=0.7.采用最佳条件下制备的絮凝剂处理造纸废水,得到最佳废水处理工艺条件：絮凝剂PSAFB投加量200 mg/L,反应温度40℃和反应时间20 min.同时利用红外光谱分析,对絮凝剂机理进行探讨,实验结果表明：Si、B、Al3＋、Fe3＋及其它们的水解产物间发生了相互作用.     

机械合金化Fe基预合金粉末对金刚石刀头性能的影响

探索了Fe-Cu-Ni-X（X=W、Mo、Ti、C、B4C）系粉末的机械合金化工艺,及其对热压烧结金刚石刀头强度和硬度的影响。发现干法球磨20小时可以得到15μm的预合金粉末,除W、B4C之外,其它元素均可固溶入Fe中;经930℃热压烧结后,Cu又从Fe中析出,同时形成WC等硬质相;B4C可能在球磨过程中产生了部分非晶化,经高温烧结后又恢复了结晶态,B4C并未与W、Mo、Ti等合金元素反应形成金属硼化物;将80vol%机械合金化预合金粉末与20vol%的45/50#镀Ti金刚石颗粒均匀混合后,进行930℃热压烧结,随着B4C含量增加,金刚石刀头的硬度逐渐增大,而抗弯强度在1%B4C时达到最高值949MPa,硬度为HRB120.7。     

新型含硼无机高分子絮凝剂的应用性能

用含铁、铝金属核和含活性二氧化硅的交联剂进行硼的改性,合成了一种新型的含硼无机高分子聚硅酸铝铁絮凝剂(PFASSB),研究了不同组成对絮凝性能的影响.对印染废水的对比絮凝实验表明,PFASSB絮凝剂的应用性能明显高于传统的絮凝剂.     

添加剂硼对合成细颗粒金刚石单晶的影响

实验在国产六面顶压机上利用高温高压方法,在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成出了细颗粒金刚石单晶,找到了合成含硼细颗粒金刚石单晶的最佳添加比例。实验结果表明：随着硼添加量的增加,晶体的颜色逐渐加深,合成细颗粒金刚石单晶的最低压力点呈动态变化趋势。在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成的金刚石单晶容易出现包裹体,且颗粒细化后依旧没有大的改善,原因与硼的电子结构有关。     

铁触媒表面的氧化铁包覆层对金刚石成核的影响

在国产SPD 6×1200型六面顶压机上,研究了高温高压条件下铁触媒表面的氧化铁包覆层对金刚石成核的影响。研究发现,在5.7GPa和1600℃的条件下,铁触媒表面的氧化铁包覆层与石墨碳源发生氧化还原反应而生成了F e3O4和F eO,同时包覆层内部的铁熔融渗出,并与石墨碳源接触,促使了金刚石的成核生长。与纯铁触媒相比,氧化铁包覆层对金刚石成核具有明显的抑制作用,而且随着包覆层厚度的增加,抑制作用更明显。文中同时还借助穆斯堡尔谱、X-ray衍射和扫描电镜测试手段,对上述实验机理进行了深入的探讨。     

铁基触媒合成工业金刚石中包裹体研究

借助穆斯堡尔谱的测试方法,对不同铁基粉末触媒合成的工业金刚石中的包裹体进行了检测,结果表明,纯Fe触媒合成的金刚石晶体中的包裹体为a—Fe和Fe3C;Fe90Ni10和Fe80Ni20合成的金刚石晶体中的包裹体主要以FeNi合金和Fe3C形式存在,同时随着触媒中的Fe含量的降低,包裹体Fe3C的相对含量随之降低。另外,对包裹体的形成机制进行了分析。通过对包裹体的成分和形成机制的研究,提出了有效减少金刚石中包裹体的方法。     

氨气对热阴极CVD法制备纳米金刚石膜的影响

采用直流热阴级化学气相沉积（DC-PACVD）方法,以NH3＋CH4＋H2混合气体作为气源,通过改变氨气浓度,在单晶硅（111）基片上沉积纳米金刚石膜.采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪分析了不同氨气浓度下制备的纳米金刚石膜。结果表明：在基体温度为700℃条件下,随着氨气浓度的增大,纳米金刚石膜中的金刚石相含量增加,非金刚石相含量相对减少;晶粒的平均粒度减小。在一定范围内氨气浓度增加,有助于提高纳米金刚石膜质量;在氨气流量达到8 mL/min时,获得了质量最好的纳米金刚石膜,其平均晶粒尺寸约为64 nm、均方根粗糙度约为27.4 nm。并提出了掺氮纳米金刚石薄膜的生长模型,对相应现象给出了解释。     

粉末触媒、石墨配比对合成金刚石质量的影响

将不同配比的Fe70Ni30粉末触媒与石墨混合压制成粉末触媒合成棒,在国产六面顶压机上进行金刚石高温高压合成实验,并对合成的金刚石单产、粒度分布、晶形、抗压强度值、TI、TTI值进行了对比测试与观察分析。结果表明,对Fe70Ni30粉末触媒合成棒而言,当合成棒中Fe70Ni30粉末触媒含量为30%时合成金刚石的单产达到最大值,金刚石的TI、TTI值较高且TI/TTI差值最小,热冲击韧性最好。     

碳源扩散不均一性对宝石级金刚石单晶生长的影响

高温高压温度梯度法生长优质宝石级金刚石单晶过程中,晶体生长主要由碳源在触媒中的扩散过程决定。本研究通过有限元对碳源对触媒的扩散过程进行了简单模拟,结果发现,受温度梯度法特定组装结构影响,实际晶体在生长过程中,由高温端扩散下来的碳源在触媒中的分布是相当不均匀的。对晶体生长来说,这种碳源扩散不均一性会直接影响晶体的生长过程。在籽晶粒度超过2mm时,晶体中心部位出现较多包裹体,或者生长表面无法生长愈合。     

溶胶-凝胶法在金刚石表面涂覆铝-硅-硼氧化物涂层的研究

采用溶胶-凝胶法在金刚石表面涂覆了铝-硅-硼氧化物涂层,并用扫描电子显微镜、综合热分析仪和抗压强度仪对涂层的形貌、结构以及涂膜前后金刚石的氧化行为和单颗粒金刚石的抗压强度进行了表征。结果表明：所制得的涂层在金刚石颗粒表面分布较均匀,结构致密,可将金刚石颗粒的起始氧化温度提高100℃左右,并能有效地延缓金刚石在高温环境下的氧化速度,同时还可以提高金刚石单颗粒抗压强度约22.75%。     

CVD金刚石薄膜技术发展现状及展望（上）

简要描述了CVD金刚石薄膜技术的发展历程。介绍了纳米特别是超纳米金刚石膜、CVD金刚石大单晶的技术特点及其应用。超纳米金刚石膜在MEMS（微机电系统）、电化学和生物医学上的应用和CVD金刚石大单晶是当前的研究热点。简言之,金刚石的发展向着更大或者更小的方向深入进行,即＂非大即小＂。     

CVD金刚石新近应用探析（工业金刚石战略发展思考之二）

概述工业金刚石从天然金刚石到HPHT金刚石再到CVD金刚石的发展。对比分析聚晶质CVD金刚石和单晶质CVD金刚石的力学性质与电子学性质。介绍聚晶质和单晶质CVD金刚石的新近应用,涵盖复合材料、医疗、电化学、热控技术、微电子机械系统（MEMS）、光学、电子学和声学等领域。阐述超纳米结晶金刚石（UNCD）的特性及其在MEMS、生物传感器、机械密封件与耐磨层以及超光滑金刚石薄膜应用的优异性能。     

Ni-Cr合金保护气氛钎焊金刚石的分析

采用Ni-Cr合金在保护气氛炉中进行了钎焊单晶金刚石磨粒的试验,使用SEM对Ni-Cr合金钎焊金刚石的碳化物形貌和钎料组织进行了观察分析。结果表明：在保护气氛炉中,Ni-Cr合金可以实现金刚石的高强度连接,焊后金刚石棱角清晰、形貌完好,并在金刚石的表面生成排列较整齐的一层Cr3C2,Cr3C2的生长方向与金刚石的外露（111）和（100）晶面有一定的位向关系,在（111）晶面的碳化物形成了互成60°的关系,在（100）晶面的碳化物主要是互成90°和45°的关系。钎料组织主要是γ-Ni基体上分布有Cr7C3,其显微硬度最高达到900HV。     

碳素扩散场对塔状晶体合成的影响

高温高压温度梯度法生长宝石级金刚石时,碳素的扩散场会对晶体品质产生很大影响。不同分布的扩散场适合生长不同形貌的晶体。研究发现,图1的碳素扩散场适合生长尺寸较大的板状晶体。合成高温塔状晶体时,若β〉0．6,合成出的绝大多数晶体内都会出现大量的包裹体。该扩散场不适合生长卢值较大的塔状晶体。通过有限元模拟,得到了该扩散场碳素浓度等值线分布图。找到了该扩散场适合板状晶体生长的原因是碳素在扩散场的分布与板状晶体的形貌要求相匹配,与塔状晶体生长的要求相违背导致的。