金刚石合成用粉末金属触媒

<正> 在高温高压条件下,在石墨向金刚石进行转变的过程中,有意识地加入一些材料,使得金刚石的相变活化能和合成温度和压力显著降低,这样的材料称之为人造金刚石用触媒材料,简称触媒材料或触媒。在没有触媒参与的情况下,石墨转化为金刚石需要13GPa的高压和2700℃以上的高温。采用触媒,可使金刚石的合成压力与温度分别降至5—6GPa和1200～1400℃,从而使工业生产金刚石成为可能。     

触媒组织中碳化物的含量与金刚石的生长

采用粉末冶金铁基触媒在六面顶压机上高温高压合成金刚石.试验表明,在相同的工艺条件下,由于合成腔体温度和压力梯度的存在,压块不同断面上的合成效果存在明显差异.使用X射线衍射(XRD)和电子探针分析(EPMA)对不同断面上的触媒物相与成分进行了检测.结果发现,金刚石形核量较多,分布均匀,且晶形完整的触媒中存在大量碳化物;触媒中夹杂有原始石墨,碳化物形成不充分,则金刚石形核量较少.分析认为,触媒中的碳化物应该才是高温高压下金刚石生长的直接碳源.触媒熔体充分溶解石墨,碳化物充分形成对于提高金刚石的产量和质量是必需的.     

球状石墨的粉压成型及以其为原料的金刚石生长

本文研究了球状石墨的粉压成型特性。在国产SPD6×1 200型六面顶高温高压设备上,分别以鳞片石墨和球状石墨（均为400目）为碳源,以铁基粉末触媒为原料,在压力5.5 GPa,温度1 400℃左右,合成时间300 s的条件下合成出了优质金刚石单晶。通过球状石墨与鳞片状石墨生长的金刚石的对比,说明了球状石墨—铁基触媒体系生长金刚石的特点。结果表明球状石墨也可以用来合成优质磨料级金刚石单晶,但合成温度要比用片状石墨时高100℃左右,合成的金刚石粒度较鳞片石墨合成的金刚石粒度稍粗。     

纳米多晶金刚石的制备合成研究

本文采用纳米金刚石粉作为原料,铁基(或镍基)金属粉做烧结助剂,利用超高压六面顶压机,在高温高压条件下进行了纳米多晶金刚石的制备实验。研究了铁基(或镍基)金属粉与纳米金刚石粉体系再生长烧结的温度压力条件,并通过SEM、XRD等测试手段对多晶金刚石样品进行了微观形貌和内部成分分析。研究结果表明:合成的多晶尺寸不仅与触媒的种类有关,而且与触媒的粒度粗细也有关系;在6 GPa、1100℃、合成时间60 s的条件下,制备的纳米多晶金刚石材料比较均匀致密,金刚石之间以D-D键结合为主。     

用铁基粉末触媒合成金刚石的研究

本文利用五种铁基粉末触媒 (FeNiXn,n =1,2 ,3 ,4,5Xn代表Fe在触媒中的含量 ,Xn>Xn -1)在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验 ,研究了高温高压条件下 (～ 5 4GPa ,～ 14 0 0℃ ) ,铁基粉末触媒随铁含量的改变 ,石墨碳-铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的生长特性 ,利用穆斯堡尔谱对金刚石中铁元素形成的包裹体进行了检测。结果表明 ,随着铁基粉末触媒中铁含量的增加 ,合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高 ,金刚石生长的“V形区”上移 ,同时得出了铁基粉末触媒适合高温区 ( 110 )和 ( 111)面生长以及金刚石中铁元素以FeNi和Fe3 C形式存在的结论     

N-H成分的存在对Ni-Mn-Co触媒合成金刚石的影响

本文首先研究了三聚氰胺(C3N6H6)及其低温分解物(CNxHy,CNx)在高温高压条件下的分解行为：在压力5．3GPa和温度为1500K时完全分解为碳,同时释放出氨气和氢。我们用元素分析仪(Perkin—Elmer 240C Elemental Analyze)来确定氮和氢的含量。利用三聚氰胺(C3N6H6)及其低温分解物(CNxHy,CNx)提供氮与氢源,研究了氮和氢在粉末触媒合成金刚石中对金刚石生长的影响。我们对合成样品中的黑色物质作了粉末XRD发现：在高温高压下合成金刚石时,碳一氮化合物(CNx)与碳一氮一氢化合物(CNxHy)对触媒具有不同的影响作用,即：在合成腔体中大量氮与氢同时存在的条件下,Ni70Mn25Co5触媒中的Ni首先与氢发生反应形成氢化物,从而改变了金属触媒的原有特性。随着添加不同比例的氮氢化合物的改变,分别出现不同的金属氮氢化合物。结果表明：大量的氮和氢的存在,将严重抑制金刚石的成核。     

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。     

FeNi-Si-C体系金刚石的成核特性

本文利用掺硅FeNi粉末触媒，在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验，研究了高温高压条件下，Fe—Ni—Si—C体系合成金刚石单晶的成核特性。结果表明，由于掺Si量的不同，合成金刚石的最低生长条件（压力和温度）并没有太大的改变；但随着触媒中掺Sj量的增加，其成核量也随之增加；通过光学成像显微镜观测发现，合成出的金刚石晶体同FeNi—C体系合成的晶体的颜色和形貌具有较大的区别，出现了“两极分化”现象，主要表现为部分晶体质量好，而部分晶体则质量很差（晶体呈浅黑色，晶形不完整等），且随触媒中掺甄量的增加，质量差的晶体比率增高。对不同合成条件的棒料进行X—ray检测发现，在金刚石合成条件下有FeSi和Fe，si的生成，台阶压力时间的长短直接影响FeSi、Fe3si的粒度。我们推测，难熔化合物FeSi和Fe3si参与成核，导致金刚石成核量增加，而这种金刚石的“异形核”存在，会导致晶形不够完整和包裹体的产生。     

铁基触媒合成含硼金刚石单晶颗粒的电阻-温度特性

以铁基合金掺入硼铁粉为触媒剂,石墨为碳源,在高温高压条件下合成含硼金刚石。光学显微镜和Raman散射仪观察了金刚石的表面形貌与晶体结构。用自制的电阻-温度测量仪对金刚石进行电阻．温度曲线进行测量,结果表明,随着温度升高,电阻逐渐降低,证明该金刚石具有负的电阻温度系数;继续升温,金刚石内的杂质发生电离,当杂质全部电离时,金刚石处于半导体的饱和区;温度进一步升高,金刚石进入本征电离区。     

高温高压下Ni70Mn25Co5+Cu触媒对合成金刚石成核的影响

用六面顶金刚石压机研究了高温高压条件下，铜在Ni70Mn25Co5合金触媒中的扩散和形成含铜合金触媒的过程。同时，研究了这种不同含铜量的合金触媒在金刚石合成过程中对金刚石成核和生长的影响。研究发现在1670K、5．0GPa条件下，铜很容易进入Ni70Mn25Co5合金中形成NiMnCoCu合金触媒。这种含铜触媒对金刚石的成核有抑制作用，而且触媒随着铜含量的增加这种抑制作用越明显。在本研究的实验条件下，NiMnCo触媒中铜含量低于5％时，可以有效地使金刚石均匀成核并生长成大小均匀的金刚石。     

用含添加剂氮化物MxN的粉末触媒合成金刚石

本文分别用铁镍粉末触媒、含添加剂氮化物MxN的铁镍粉末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氮化物的铁镍触媒合成的金刚石的晶面上有凹线出现，而用不含添加剂铁镍触媒合成的金刚石却没有这种现象。用电子显微镜对凹线的形貌进行了细致的观察。还发现用含添加剂的铁镍触媒合成的金刚石中包裹体明显少于用铁镍触媒合成的金刚石中的包裹体。随着铁基粉末触媒中添加剂氮化物含量的增加，合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高，金刚石生长的“V形区”上移。     

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。     

石墨粉中添加含硼化合物合成金刚石的颜色与热稳定性

为了研究不同含硼添加剂对合成金刚石的颜色和耐热性能的影响,以石墨和触媒粉末作原料,分别用碳化硼、硼酸和硼酸氨作添加剂,在高温高压下合成出含硼金刚石。在相同的合成工艺条件下,当反应体系中的含硼量接近时,不同的添加剂合成的金刚石颜色差异较大。添加硼酸和硼酸氨的溶液时,易于合成出黄色透明的金刚石。采用动态空气流条件下的热重和差示扫描量热方法对金刚石进行了热稳定分析,结果表明：用三种添加含硼化合物合成金刚石的初始氧化温度超过：830℃,最高达到990℃;在1200℃时,金刚石的失重在38％～85％之间;氧化反应放热峰在1000℃左右。     

触媒黏性对生长优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的影响

在高温高压条件下,进行了优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的合成研究.重点考察了触媒黏性对金 刚石大单晶生长的影响.结果表明:选择低黏性Ni -a触媒,短时间可以生长出优质金刚石单晶.当生长时间超过25 h,合成的晶体为“群晶”;而高黏性Ni -b触媒可以用来长时间生长优质克拉级金刚石单晶.通过扫描电镜分析可知,低黏性触媒合...     

静压法合成金刚石的成核研究

针对静高压合成技术中片状样品的组装工艺特点,分析了在高温（约1500K)高压（约5GPa）下石墨与触媒之间的相互扩散过程和金刚石在合成腔中的成核几率。根据外界提供给石墨的能量大小,判断出纳米石墨微晶是形成金刚石晶核的基本单元。金刚石成核很可能是纳米石墨微晶转化为金刚石晶核的结构相变过程。讨论了在触媒的参与下金刚石的成核率与温度压力变化的关系,证明了压力是控制金刚石成核的有效参数,而温度不宜作为金刚石成核的控制参数。     

Fe-C-S系金刚石单晶的高温高压合成

在Fe-C体系中加入单质硫(S)作为添加剂,采用高温高压法合成金刚石单晶.研究表明:S在高温高压下与Fe发生了相互作用,影响了Fe的催化性能,进而对金刚石的自发成核产生抑制作用.S的添加能使纯Fe触媒合成六八面体晶体的温度区间变宽,从而提高合成六八面体的可控性;在显微镜下观察金刚石晶体形貌颜色为深黄,晶体完整,包裹体较...     

片状与粉末触媒对石墨转化成金刚石的催化效率研究

为了研究片状与粉末的镍基或铁基触媒对石墨转化为金刚石的催化性能的影响,采用金刚石成核和生长动力学方法分别计算了片状与粉末触媒参与下金刚石生长的活化能与比表面能。结果表明,无沦是片状还是粉末触媒,这两种触媒对金刚石生长活化能与比表面能的影响差异很小,比表面能与金刚石的结晶形态有关,决定于合成的温度压力条件。然而,粉末触媒的催化效率比片状触媒高得多,更有利于石墨转化为金刚石。     

金刚石合成中某些现象的分析与研究

采用ＳＥＭ和ＥＰＡ技术对ＮｉＦｅＭｎ触媒合金在金刚石合成中的一些现象作了研究并探讨了触媒合金在高压合成下的作用机理。研究表明，经高温高压合成后ＮｉＦｅＭｎ触媒片表面存在局部成份起伏，Ｆｅ原子在金属／石墨界面及金属／金刚石界面富集；这种成份（浓度）起伏对金刚石晶体的形核与生长都有一定影响。     

Fe-B-C体系金刚石单晶的高温高压制备与表征

在国产六面顶高温高压设备上,利用低价纯铁粉末为触媒开展含硼金刚石的制备研究。研究发现:无定型硼的掺入会导致金刚石合成条件(温度和压力)不断提高;晶体颜色由浅黄色逐渐变为黑色,晶体主要以八面体为主。利用扫描电镜(SEM)分析含硼金刚石的微观形貌,发现:硼添加后金刚石{111}晶面上存在微米尺寸的圆形凹坑。通过Raman光谱研究发现:随着硼掺入量的增加,金刚石特征峰发生蓝移,其半峰宽变大、晶体质量下降。通过红外光谱可以发现较强的Ⅱb型金刚石存在2 800 cm-1处的 B-C键特征峰。在纯铁触媒体系中,硼的质量分数在0.2%～0.8%时,均能合成出优质含硼金刚石。      

Ni—Mn粉末触媒及金刚石合成的研究

对Ｎｉ－Ｍｎ粉末触媒的基本物理化学特征及其高温高压金刚石合成应用进行了初步研究,讨论了该粉末触媒中孔隙对触媒合成金刚石效果的影响。结果表明,Ｎｉ－Ｍｎ粉末触媒为单相固溶体合金,有较好的催溶性能。其熔点低,适用于合成细颗粒人造金刚石。