高品级人造金刚石合成的晶体学规律及分析

文章从晶体生长的一般规律出发,阐述了石墨与金刚石晶体结构的不同,论述了在金刚石晶体生长过程中金属触媒的作用机理以及高温高压对碳原子活化速度、结合速度、排逸速度及金刚石晶体生长速度与高品级金刚石生长的关系。     

掺硼金刚石薄膜的制备与研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术在单晶硅、钛、钼、铌、钽基体上制备掺硼金刚石薄膜。分别采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪、四探针电阻率测试仪研究其物相组成、表面形貌、晶体结晶性和电阻率。硼原子代替碳原子进入金刚石晶格中,产生更多的缺陷形核中心,导致掺硼金刚石薄膜的金刚石晶粒尺寸和电阻率随着掺硼浓度增加而减小。金刚石薄膜和基体间形成碳化物,金刚石在石墨层上形核生长。碳原子在不同基体中的扩散系数不同,导致硅基掺硼金刚石薄膜的晶粒尺寸更小且更加均匀,金属基体上的部分金刚石出现了异常长大的现象。采用该方法制备的掺硼金刚石薄膜的结晶性较好,由于基体热膨胀系数较金刚石大从而导致薄膜内部产生压应力,使得金刚石薄膜的D峰均向高波数偏移。     

高温高压合成金刚石的Raman光谱与XPS研究

高温-高压合成金刚石的显微Raman光谱与XPS C1s谱研究表明：铁基与镍基合成金刚石都是品级较高的金刚石，且前者品级更高，更易长大。以铁基与镍基作触媒合成的金刚石表面sp^3碳原子的百分含量分别达到82．4％和75．45%。研究结果进一步启示，在金刚石成核后，除了需要有碳原子的补充外，有效抑制生长界面碳原子sp^3键向sp^2键退化，将会是金刚石能否长大的关键性问题。     

金刚石合成机制的研究

孤立原子不存在轨道混合问题。碳原子在形成金刚石时，原子间互相影响，使电子运动状态发生变化，形成sp^3的杂化轨道，C-C形成共价键。文章分析了金刚石合成的机理，论述和比较了片状触媒和粉状触媒合成金刚石的过程和差异，提出了“单间生长机制”的观点，认为在粉状触媒工艺中金刚石生长的环境条件优越，合成出的金刚石晶体均匀对称，品质良好。     

采用六方氮化硼合成Ⅱb型金刚石单晶的试验研究

在铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼,采用粉末冶金方法制备片状触媒,在六面顶压机上进行金刚石合成试验.通过对比主要的合成参数发现,掺杂适量的六方氮化硼能够提高触媒的电阻,虽然对金刚石的成核有一定的抑制作用,但是有利于降低合成功率,同时有利于金刚石的粒度增粗.对合成出的金刚石的性能检测发现,适量的六方氮化硼掺杂有利于净化金刚石晶体,减少杂质与包裹体的数量,有利于降低磁化率,提高晶体的静压强度和冲击韧性.     

金属铬对金刚石单晶生长习性影响研究

在高温高压条件下,以Co-Cr为触媒,使用温度梯度法作为金刚石生长驱动力,进行金刚石单晶生长的实验研究。实验室结果表明:随着触媒中金属铬添加量的增加,晶体生长速度明显变慢,当金属触媒中铬的添加量达到3wt.%的时候,生长的晶体内开始产生气泡和包裹物;当金属铬的掺杂量达到6.0wt.%的时候,能明显观察到晶体泛黄绿色;红外测试结果表明,晶体内部的氮浓度呈现出明显的增加趋势,最高浓度达483×10~(-6)。     

关于金刚石微粉强度问题探讨

拉曼光谱通过测定金刚石微粉颗粒的晶体结构及内部缺陷和杂质含量评价微粉强度品级,是一种科学、有效、能快速检测金刚石微粉强度品级的方法.根据拉曼光谱测定金刚石微粉强度品级,研究了金刚石微粉强度与金刚石单晶原料强度、金刚石原材料的合成时间、微粉生产工艺和微粉表面处理工艺之间的关系.结果表明,金刚石微粉的强度虽然与原材料强度品...     

合成含氮金刚石用触媒合金的实验及选择

以实验结果为依据，叙述了含氮合金触媒与合成工艺对金刚石合成过程及其结果所产生的影响；讨论了氮杂质在金刚石晶体中的分布特征及对金刚石晶体性质的影响机理；还简述了合成含氮金刚石与普通金刚石及天然含氮金刚石性质问差异及原因；并指出了提高人造金刚石质量的一些重要途径。     

优质毫米级粗颗粒金刚石单晶的高温高压合成

粗颗粒工业金刚石的合成与普通工业金刚石相比,需要较长的生长时间,而且其合成条件相对于普通工业金刚石单晶更为苛刻.文章总结了在具有高精密化控制系统的国产SPD 6×1670T型六面顶压机上进行的优质粗颗粒金刚石单晶的合成研究.在粉末触媒合成金刚石工艺的基础上,提高了压力和温度控制系统的精密化程度,引入了旁热式组装,改良了合成工艺,通过精密地控制金刚石的成核量与生长速度,以及采用最佳粒度的触媒,在高温高压条件下(～5.4GPa,～1360℃)成功合成出尺寸达到1.0mm的(18目)粗颗粒金刚石单晶,并分析了晶体的形貌和表面特征.     

高温高压下石墨-Ni70Mn25Co5体系中石墨的层状生长现象与合成金刚石的质量

为了研究石墨-Ni70Mn25Co5体系在高压高温下石墨的变化和金刚石的生长现象,用六面顶压机对交替组装的圆片状石墨和Ni70Mn25Co5触媒进行高温高压处理及金刚百合成实验。扫描电镜观察结果表明：在触媒中再结晶石墨以片状为主,而类球状石墨由片状石墨的堆积长大形成的;覆盖在金刚石的金属包膜中有大约1μm厚的片状石墨。借助于多功能光学显微镜,观察到金刚石的晶体形态和缺陷特征随合成温度、压力的不同有规律地变化。实验证实了高温高压下石墨-Ni70Mn25Co5体系中石墨和金刚石的层状生长现象,进而提出了预防金刚石宏观缺陷、合成优质金刚石的技术措施。     

再结晶石墨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宝石级金刚石单晶的过程中,尽管处在金刚石稳定区内,却经常发现,有亚稳态的再结晶石墨存在.本研究发现,作为一种晶体,大量再结晶石墨的析出和生长对宝石级金刚石单晶的生长速度有较为明显的抑制作用,并且再结晶石墨更容易在较高温度合成区内出现.例如,使用NiMnCo触媒进行宝石级金刚石单晶合成过程中,随着合成温度的提高,当大量多余碳源不再以金刚石自发核形式析出,而是以大量片状再结晶石墨形式围绕在晶体周围时,晶体的生长速度有了大幅度的降低,从相对低温时的约3.0mg/h降到较高温度时的1.0mg/h.     

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α-Fe和Fe3C;Fe90Nil10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.     

金刚石复合镀层表面缺陷的形成原因

电沉积金刚石复合镀层会出现一些缺陷,如镀层表面起伏不平,出现结瘤、沟谷及金刚石颗粒表面的过度包镶等现象。如果增加金刚石颗粒的数量、电流密度或增加镀层厚度都会加剧这些缺陷的产生。以上现象可能来自于金刚石晶体内部金属包裹体的磁性。在电沉积过程中,这些磁性金刚石产生的磁场,对阳离子从阳极到阴极的运动产生作用,同时由于金刚石对空间的占有引起了电流密度的增加,使得金刚石颗粒表面分散的金属导电质点促进了结瘤和过度包镶的形成。     

金刚石表面织构化处理技术（下）

6关于力学强度与破裂特性 金刚石在900℃以上高温中其力学强度降低,主要是由于金刚石合成时在高温高压下的晶体生长过程中,内部混入了金属杂质。     

人造金刚石中的杂质和包体

对以Ni_(70)Mn_(25)Co_5作触媒所生长的金刚石中的杂质和包体进行了光谱半定量分析、原子吸收光谱分析、化学分析、扫描电镜分析、X射线分析和差热分析。测试结果表明:Be、P、Pb、u、Ga、Sn、V、Zr、Ag、Y、Sr、Ba、Bi、Sb、Cd、W和In等元素在金刚石中的含量均在光谱分析的检测限以下。溶解在熔融触媒中的各种原子,均可能与正在生长着的金刚石表面碳原子成键。当晶体生长不太快时,Al和Si似乎比Ni和Co更易于进入金刚石。当晶体生长过快时(例如线生长速度为1μm/s),大量的母液被捕获,Ni和Co则易于进入晶体。不同包体的化学成分可能不同,Al和Si多时,Ni和Co少,反之,Ni和Co多时,Al和Si少。杂质原子常沿{110}面偏析而形成包体。初步确定这些包体的晶面间距为2.126(?)、1.84(?)、1.80(?)和1.044(?)。当金刚石的铁磁性较强时,其起始氧化温度降低,差热分析出现双峰,且抗压强度也降低。     

铁基触媒合成金刚石形成的金属包膜成分的研究

利用电子探针(EPMA)和X射线光电子能谱(XPS)研究了包围金刚石单晶的铁基金属包膜和触媒的成分分布。结果表明,在金刚石生长过程中,接近金刚石单晶的包膜内层中的碳含量是变化的,但均高于接近金刚石的触媒层。然而,与包围金刚石单晶的触媒表面相比,包膜表面碳含量低、铁含量高。分析认为,高温高压下,金刚石生长的碳源主要来自于包膜,但碳并非均匀地在包膜熔体内层向金刚石扩散。结合前期研究发现的“包膜内层无石墨和无定形碳结构”的事实分析,金刚石生长所需的碳极有可能来源于包膜内层铁碳化物的瞬间分解,结果导致包膜表面瞬间碳含量低、铁含量高。     

Ⅱa型宝石级金刚石大单晶研究最新进展

用合金触媒利用温度梯度法合成优质Ⅱ a型宝石级金刚石.研究发现,在约5.4GPa和约1300℃的条件下,除氮剂的加入使合成金刚石的温度区间变窄及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.实验解决了组装的稳定性问题;并通过调整组装,在除氮剂合适的掺入量下,使合成优质金刚石的最大生长速度达到2.16mg/h.结果实验获得了4.3mm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10-7.     

静压触媒法生长金刚石的机理

关于静压触媒法生长金刚石的机理有多种理论,但它们的共同特点是认为在金刚石的生长过程中是某一种机理自始至终在起作用.本文则提出新的理论在金刚石成核及长大初期,基本上是在触媒的作用下直接转化;随着金刚石的长大,溶解一结晶过程逐渐起主导作用.这一理论较园满地解释了现有的实验事实.     

薄膜涂层刀具

金刚石作为磨料不适于加工铁金属，这基于如下认识：Fe、Co、Ni等Ⅷ族元素金属在熔融状态下是碳的溶剂，因此，加工过程中切削区的局部高温将使构成金刚石的碳原子溶入金属品格中，金刚石磨粒将因失去切削刃而无法继续工作；同时，金刚石磨具对工件的加工是以工作面上密布的金刚石颗粒为微切削刃来切削的，这些切刃数量多、出刃低，在磨削强度高、韧性大、塑性大的金属材料时，很容易因堵塞而无法使用。     

触媒在合成宝石级金刚石中的作用及影响

对触媒在合成宝石级金刚石工艺中的作用机理进行了探讨,分析了触媒对合成宝石级金刚石晶体性质和晶体质量的影响,并提出了通过控制触媒获得高质量宝石级金刚石晶体的几点建议.