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。     

铝对生长Ⅱa型宝石级金刚石的影响

对于高温高压温度梯度法合成金刚石来说,在触媒中添加除氮剂（Ti、Al等）,可以合成无色的Ⅱa型宝石级金刚石。实验使用国产六面顶压机和NiMnCo溶媒通过温度梯度法来合成Ⅱa型宝石级金刚石,主要研究了除氮剂铝对生长Ⅱa型宝石级金刚石的影响。由于铝的添加使得合成出的金刚石出现熔坑,并带有颜色等现象。大量实验表明：氮化铝的分解和过量铝的掺入是颜色和熔坑产生的原因。实验通过在约1210℃的低温区生长、降低生长速度至0．41mg／h,使金刚石的颜色和熔坑问题有了明显的改善。所以在用Al做除氮剂生长Ⅱa型宝石级金刚石时,为获得优质单晶,应以较低的生长速度在低温区生长晶体。     

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。     

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。     

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。     

铁基粉末触媒的粒度及其均匀性对合成金刚石的影响

本文利用铁基粉末触媒在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成。研究了高温高压条件下（5.7GPa，1370～1650℃），筛分的6种不同粒度（140／170，170／200，200／230，230／270，270／325，325／400）以及未经筛分的混合粒度的铁基粉末触媒生长金刚石的形貌特征。同时研究了粉末触媒粒度均匀性对合成金刚石的影响。结果表明，触媒粒度越均匀，合成金刚石单晶的粒度越集中。触媒粒度以及合成的金刚石晶体分别通过扫描电镜和光学显微镜进行了观测。     

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。     

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。     

热透波材料技术研究进展

热透波材料技术是高超声速飞行器实现通讯与精确导航的关键技术,文章从热透波材料体系、热透波材料热电行为和高温电性能测试技术等方面对热透波材料及其相关技术的发展现状进行了简要介绍。在材料体系方面,石英陶瓷及二氧化硅基复合材料是目前应用的主要材料品种,多孔氮化物陶瓷及陶瓷基复合材料是未来发展的重要方向。在热电行为研究方面,对典型氧化物、氮化物、氮氧化物材料热电行为规律及杂质离子对材料热电行为的影响等方面的研究获得重要进展,并获得试验验证。在高温电性能测试方面,近年来突破了1600℃高温宽频测试关键技术,并获得了氧化硅熔融态介电性能实测数据,国外和国内已实现8MW／m^2热透波实时测试。     

电站锅炉防护用Fe-Al/Cr3C2涂层性能研究及应用

使用高速电弧喷涂技术结合Fe-Al/Cr3C2粉芯丝材制备了铁铝金属间化合物涂层,对涂层的常温与高温性能进行了研究,并进行了应用的探索.结果表明,Fe-Al/Cr3C2复合涂层具有典型的层状结构、较高的结合强度和硬度;涂层的耐高温冲蚀性能良好,温度升高、角度增大,冲蚀性能提高;由于Cr2O3的存在以及涂层结合能的提高,Fe-Al/Cr3C2涂层的高温抗腐蚀性能较高;其常温和高温耐磨损性能也较高;应用研究表明,该涂层适合用于电站锅炉＂四管＂的防护.     

辊锻模具表面送粉激光熔覆WC陶瓷层的高温组织与性能

研究了Co基自熔合金、Ni基自熔合金 WC、Co基自熔合金 WC激光熔覆层在不同温度下的显微组织和各种化合物的硬度 ,结果表明三种材料在相同激光熔覆工艺参数下获得的熔覆层的高温显微组织、性能存在很大的差异。Ni基自熔合金 WC在 70 0℃时硬度开始显著降低且显微组织发生很大变化 ,而Co基自熔合金和Co基自熔合金 WC在 70 0℃时才开始发生变化且变化幅度较小。同时证明WC在加热过程中硬度没有显著降低。试验结果对获得具有抗高温粘着磨损的激光熔覆层有重要的理论和实际意义。     

回火对46CrNiMoVA钢组织与性能的影响

本文借助透射电镜初步探讨了多次高温回火处理对４６ＣｒＮｉＭｏＶＡ钢超高温液火后的微观组织与力学性能的影响。结果表明,多次高温回火对该钢的σｂ影响不大,对δ却有一定的影响。此与随顺火次数的增加,板条马氏体逐渐回自重民宽化,燕析出渗碳体有关,孪晶马氏体逐渐经,在孪晶面上析出片央体,并聚集与长大,残留氏体分一成近连续网状脆性碳体薄膜并聚集与长大等变化过程有关。     

高速电弧喷涂FeAlCr/Ni包Cr3C2涂层高温性能

用高速电弧喷涂技术制备了FeAlCr/Ni包Cr3C2涂层,并对涂层的耐高温冲蚀性能、高温腐蚀性能和高温磨损性能进行了研究.结果表明,与基体比较涂层具有良好的耐高温冲蚀性能,并随温度的升高和冲击角度增大,耐冲蚀性能提高;良好的高温抗腐蚀性能,随温度升高,腐蚀率略有上升;优异的常温耐磨损性能,超过550℃的耐磨损性能高.     

激光熔敷Ni+WC+RE合金层的高温性能研究

通过不同成分、不同温度下的高温硬度、高温干摩擦磨损试验，对激光熔敷合金层的一些高温性能进行了研究。结果表明，在相同实验条件下，不同成分熔敷层的高温硬度和高温耐磨性均随温度升高而下降，其中Ni21 20％WC 0．5％CeO2熔敷层的高温性能最好。激光熔敷层的高温磨损机制以粘着磨损为主，兼有磨粒磨损和氧化磨损。     

一种陶瓷型壳高温性能研究

采用EC95粉涂料、硅溶胶粘结剂,利用淋砂机涂挂刚玉砂制备了单晶叶片陶瓷型壳,并进行浇注试验.使用强度分析仪、扫描电镜以及X射线衍射仪对陶瓷型壳的高温抗弯强度、高温蠕变特性、型壳高温下的相转变进行了研究.结果表明:随着温度的升高,型壳高温抗弯强度在1 300℃时最低,在1 400℃时最高;浇注试验表明,在1 550℃下,型壳高温抗弯强度大于6.2 MPa才能满足浇注要求.     

Development of a new instrument for measurement of high temperature mechanical properties of resin-bonded sand

The mechanical properties of resin-bonded sand mixtures at high temperatures significantly affect the quality of casting. However, the existing instruments for high-temperature performances testing mainly focus on inorganic binder-bonded sands no matter the test items or the atmospheric protection, while the instrumentss specially designed for resin-bonded sand are not yet available. A new instrument for testing the hightemperature performance of resin sand was designed including the confirmation of the testing parameters, loading, measurement and control systems, and the design of the frame shape and heating furnace. This instrument can test the compressive strength, heat tolerance time and restraining load of phenol-formaldehyde resin coated sand, self-hardened furan resin sand, and trimethylamine(TEA)-based resin bonded sand at high temperatures. The developed instrument has a high accuracy offering smaller than 0.3% deviation at a full scale in the measurement of the high temperature compressive strength and the restraining load over the range of 0-6.8 MPa and 0-2,000 N, respectively. The high temperature heat tolerance time range is 0-300 s and its measurement accuracy is ±1 s.     

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  对马钢生产的耐火H型钢MGFR490B和Q345B H型钢进行了对比试验研究,完成了高温拉伸和高温持久两项力学性能测试和对两种钢微观组织的观察研究。结果表明,耐火H型钢MGFR490B的组织为多边形铁素体﹢珠光体﹢少量贝氏体混合多相组织,此种组织在高温下能保持很好的稳定性,并能在高温下析出合金碳化物,这对降低耐火H型钢MGFR490B的室温屈强比和保持高温屈强比小的波动范围有益。耐火H型钢MGFR490B获得了比Q345B H型钢好的高温强度性能,这与耐火钢的混合多相组织及添加合金元素密不可分。耐火H型钢MGFR490B在600 ℃高温下能保持高的强度,并且其持久断裂时间超过3 h,满足耐火钢的性能指标要求。     

一种新型Al-Cu-Li系合金的高温塑性变形研究

采用Gleeble-1500热模拟机高温压缩与高温拉伸试验,对一种新型Al-Cu-Li系合金的高温塑性变形进行了研究,并利用扫描电镜和透射电镜对该合金高温变形后的组织进行了观察。结果表明,在350℃~470℃的变形温度范围内,以1s-1~30s-1的变形速度压缩时,合金的极限压下量基本都在80%以上。以30s-1应变速度压缩时,在470℃时极限压下量陡然下降,说明变形速度很大时变形温度不宜过高。分别以0.1s-1和1s-1变形速度拉伸时,在410℃~470℃温度区间塑性较好。