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。     

大腔体合成工艺初探

1 前言。六面顶压机的大型化使金刚石产量增加，但随着合成腔体积的增大，温度滞后越来越严重，现在普遍采用提前送温、慢升压及二次暂停或多次暂停，而且延长暂停时间，由原来小腔体暂停25″-30″提高至60″-90″的合成工艺，一定程度上缓解温度滞后，但形成一个压力暂停等待温度的局面。而且暂停时间延长后，由于触媒与碳相互作用，析出的球状再结晶石墨晶粒增粗，导致金刚石成核数目减少，为了提高产量不得不提高合成压力，这样不但不能从根本上解决温度滞后，而且影响了金刚石的生长条件。本在郝兆印教授引导下，从控制加热曲线变化，以控制合成腔体温度、温度与压力合理匹配，使金刚石均匀成核，以提高优质金刚石产量。     

基于ф69mm腔体温度场数值模拟的高品级金刚石合成工艺优化

采用有限元软件Ansys对HJ-1 000型六面顶压机ф69 mm金刚石合成腔体进行了间接加热温度场的分析,在数值模拟的基础上,对合成过程中的温度和压力进行了优化,并通过优化得到了温度压力动态匹配的合成工艺。对合成柱中的温度进行了计算并做成温度云图,结果表明:合成柱中的温度在加热过程中基本保持石墨管处温度最高,直到开始断电冷却,石墨管处的温度下降较快,使得在合成柱中心点处的温度最高,径向温差小于30℃,具备了温度压力相匹配的合成优质高品级金刚石的生长环境。这主要是因为合成腔体较大和优化的加热工艺有关。最后采用优化的金刚石合成工艺,获得了粒径600~650μm高品级金刚石。     

基于φ69 mm腔体温度场数值模拟的高品级金刚石合成工艺优化

采用有限元软件Ansys对HJ-1 000型六面顶压机φ69 mm金刚石合成腔体进行了间接加热温度场的分析,在数值模拟的基础上,对合成过程中的温度和压力进行了优化,并通过优化得到了温度压力动态匹配的合成工艺.对合成柱中的温度进行了计算并做成温度云图,结果表明:合成柱中的温度在加热过程中基本保持石墨管处温度最高,直到开始断电冷却,石墨管处的温度下降较快,使得在合成柱中心点处的温度最高,径向温差小于30℃,具备了温度压力相匹配的合成优质高品级金刚石的生长环境.这主要是因为合成腔体较大和优化的加热工艺有关.最后采用优化的金刚石合成工艺,获得了粒径600～650 μm高品级金刚石.     

采用非恒压力加压和非恒功率加热技术合成金刚石的工艺初探

本文采用非恒压力加压和非恒功率加热的控制技术，设计了金刚石合成工艺曲线，该工艺合成金刚石时，能明显提高合成腔体内的温度场与压力场的稳定性，改善金刚石单晶生长环境，可使直径30mm腔体合成金刚石的单产增中969％，MBD8以上品级的单晶同比增加41％。     

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。     

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。     

组装方式合理优化对金刚石品质的影响

在六面顶压机上采用粉末合成柱进行了49 mm腔体间接加热普通组装方式和内置供碳层组装方式合成金刚石产品的对比试验。试验结果表明:内置供碳层组装方式合成金刚石,可有效地为合成柱外围金刚石生长提供充分且均匀的碳源,使金刚石晶体内部杂质少、颗粒饱满、晶形完整。与普通组装方式相比,合成出的高品级金刚石产量提高6.5%,可明显提高金刚石优晶比例。     

含硼合金触媒对金刚石合成影响的实验研究

研究含硼合金触媒对金刚石合成的影响问题，对促进人造金刚石品种多样化、产品质量提高及触媒材料发展有重要的价值。叙述了含硼合金触媒合成金刚石的效果及对生长金刚石晶体性能产生的影响，讨论分析了含硼合金触媒合成金刚石的晶体性能比一般合金触媒合成金刚石晶体的性能较优的原因。在讨论分析的基础上，给提高人造金刚石与合成优质金刚石用触媒舍金材料的选择指出了途径。     

合成工艺对金刚石合成效果影响的研究

研究探讨合成工艺与金刚石合成效果的关系问题，对提高人造金刚石的品级及生产效益是有重要实际价值的。文中叙述了合成压力、温度与合成加热时问在金刚石晶体生长过程中的重要性和特性。讨论了合成工艺对金刚石合成效果的影响。提出了合成工艺是影响合成效果的重要因素。在研究中，通过对合成金刚石效果的有利因素的分析，提出了提高金刚石合成效果的合成工艺。     

MPCVD法制备金刚石膜的工艺

采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统,以单晶硅为基底材料,采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺,分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响,获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明:金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关;衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值,甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为:功率为2 200 W,衬底温度为850 ℃,腔体压强为14 kPa,甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下,金刚石膜生长速率为1.706 μm/h,金刚石相含量为87.92%。      

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.     

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。     

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。     

多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化

探索热丝化学气相沉积（hot filament chemical vapor deposition, HFCVD）合成高效优质的金刚石已成为研究热点。采用可提高金刚石颗粒单次沉积产量的新型多片式栅状衬底,应用FLUENT流体仿真软件,在原有单个出气口数量及进气总流量保持不变的情况下,优化传统模型,将单个进气口拆分成5个大小相等的进气口,对影响金刚石单晶颗粒均匀性的进气口数量和排布方式工艺参数进行仿真,对比分析HFCVD系统内气体的物理场。结果显示：4组优化模型均提高了衬底温度及流速的均匀性,有利于金刚石单晶颗粒的均匀生长,但对其沉积速率影响不显著;进一步分析优化模型的温度场,发现5个进气口及单个出气口分别位于反应腔体顶部和底部的中间位置时系统的温度差最低,最满足金刚石单晶颗粒在多片式硅衬底上均匀生长的条件。HFCVD金刚石单晶颗粒沉积试验验证了仿真结果的正确性。     

合成温度对聚晶金刚石的影响

本文利用六面顶压机,在高温高压条件下进行了合成聚晶金刚石的实验。研究了合成温度对聚晶金刚石晶粒大小和黏结剂分布的影响。用扫描电子显微镜观察了相同压力、不同合成温度条件下合成出的聚晶金刚石的断口形貌。结果表明,合成温度高时(1 650℃),晶粒尺寸稍小,金属黏结剂分布均匀;合成温度低时(1 590℃),晶粒尺寸稍大,金属黏结剂分布不均匀。这可能是因为,当温度高时,金刚石生长驱动力小,生长速度稍慢,在相同时间条件下,晶粒尺寸稍小。同时温度稍高,黏结剂流动性增强,更有利于其均匀分布。     

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。      

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。     

金刚石合成用W型叶螨石传压介质的研究

本文采用Ｗ型叶蜡石作为超高压高温合成金刚石的传压介质,分析了其主要化学成分与矿物相组成。对Ｗ型叶蜡石粉压块的粒度效应与高压腔体的尺寸效应进行了较详细的研究,确定了该传压介质的粒度组成与几何尺寸。超高压高温合成金刚石试验表明,Ｗ型叶蜡石的传压性能相当理想,金刚石合成效果好。这一结果为超硬材料高压合成与多晶烧结体所用传压介质的选择开辟了新的途径。     

合成工艺与金刚石晶体的生长

本文叙述了合成压力、温度与加热时间在金刚石晶体生长过程中的重要性和特性。讨论了合成工艺与金刚石晶体生长的关系，提出了合成工艺是影响金刚石晶体生长的重要因素。在研究中通过对晶体生长有利因素的分析，提出了提高金刚石晶体生长质量的合成工艺。