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。     

宝石级金刚石合成用反应容器材料稳定性研究

系统地研究了不同反应容器材料在高温高压下的长时间物理化学稳定性。采用1000℃烧结的纯叶蜡石管，叶蜡石氧化镁混合管与石英管做反应容器材料，分别进行了宝石级金刚石的合成研究。结果表明用1000℃烧结纯叶蜡石管和叶蜡石氧化镁混合管做反应容器材料在恒功率加热的合成过程中，加热电压一直存在上升趋势，不适合用作优质宝石级金刚石单晶生长的反应容器材料。高温高压下完全柯石英化的国产石英管稳定性好，强于高温（1000℃）焙烧过纯叶蜡石和叶蜡石和氧化镁混合材料，而且石英管做反应容器材料生长出的宝石级金刚石单品品面完整，显微镜下几乎没有发现包裹体和缺陷，这说明国产石英管适合做宝石级金刚石单晶合成用的反应容器材料。     

微量NaN3掺杂对宝石级金刚石合成的影响

利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶过程中,在碳源或者触媒体系中进行微量掺杂,会显著改变晶体生长性质.本研究在NiMnCo-C体系中掺杂微量NaN3,发现体系中微量NaN3的存在,不仅仅会影响到晶体中的氮含量,对晶体生长过程也存在明显的影响.当体系中NaN3分布不均时,单晶生长遭到严重破坏,籽晶没有起到引导晶体生长作用,晶体呈现不规则的凌乱生长状态,以条柱状和片层状生长为主;当体系中微量NaN3分布均一时,晶体生长变得规则,可以得到晶型完整的单晶金刚石.但随着NaN3含量增加,超过碳源重量比例的0.4wt%时,晶体生长过程受到严重抑制,高氮含量宝石级金刚石单晶的持续生长很难维持下去,这同样证明了较多NaN3存在时的杂乱晶体生长,是由于体系中NaN3局部位置含量差别较大造成的.     

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...     

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。      

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。     

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。     

采用不同含硼化合物合成Ⅱb型金刚石的试验研究

按照添加等量硼元素的原则,在粉末冶金铁基触媒中加入不同的含硼化合物（硼铁、碳化硼和六方氮化硼）,在六面顶压机上进行金刚石合成试验。对合成出的含硼金刚石单晶进行表面形貌、磁化率、冲击韧性以及热重等综合质量对比。结果表明,不同的硼源会相应影响金刚石的生长区间,并进而直接影响金刚石晶体的质量及其主要性能。以六方氮化硼为硼源,可以实现对金刚石的硼、氮复合掺杂,合成出的金刚石晶体质量较高,性能较为优异。碳化硼次之,而用硼铁合成的金刚石晶体因杂质较多,导致质量和力学性能降低,合成效果较差。     

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。     

不同金属触媒对金刚石中氮含量的影响

利用高温高压静压触媒法合成金刚石单晶过程中,如果不采取特殊除氮措施,晶体中的氮杂质含量会因为触媒不同而不同,晶体颜色表现出深度不同的黄色。本研究就不同触媒利用温度梯度法合成的宝石级金刚石单晶中的杂质氮进行了显微红外测试,并且发现当触媒中微量与氮有关的添加剂存在时,晶体中氮含量会发生明显变化。例如,使用N i基N iMnCo触媒得到的宝石级金刚石单晶含氮量大约在400×10-6;而采用Fe基FeN iCo触媒得到的晶体含氮量约在150×10-6。然而当触媒中存在微量(1wt‰)NaN3时,无论Fe基还是N i基触媒,晶体中的含氮量均提高到700×10-6左右,这说明触媒中存在微量添加剂时可能会明显影响到触媒和晶体的性质。     

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。     

宝石级金刚石培育技术评述

宝石级金刚石的培育技术比较有效的方法是美国GE公司首创的HPHT温差法.本文对宝石级金刚石的培育技术、发展历程、现状、影响培育宝石级金刚石晶体质量的生长速率、合成温度、掺杂等因素作了简要回顾和评述,找出了差距,为宝石级金刚石培育技术的研究指出了可借鉴的模式.宝石级金刚石培育技术经过近40年的不断完善,国外已实现了商业化生产,而我国还处于实验室阶段,显然差距是很大的.随着人们生活水平的不断提高和科学技术的发展,宝石级金刚石需求也在日益增长,引起了很多制造商的关注.     

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。     

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。     

元素六的SDBTC型锯片级金刚石涂覆磨料

元素六最近推出了一种新型的锯片用活性涂覆磨料系列产品。据称该产品可增加金刚石颗粒之间的把持力和提高对金刚石的保护，同时也使工具制造工艺的选择面更宽，提高了现有烧结工艺的适应性。     

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Ⅱa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。本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至关重要。对Fe-A l-C系统(A l含量不大于2.5wt%)来说,采用多晶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在形式来看,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关系。     

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.     

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。     

Ⅱa型优质金刚石大单晶的合成

在触媒KOV(FeNiGo合金)的基础上加上一定含量的的Ti和Cu,用温度梯度法首次在国产的六面顶压机上合成出-1．5mm高质量的Ⅱa型金刚石单晶。分析了合成Ⅱa型金刚石单晶过程中出现晶体表面熔坑现象的原因。晶种的质量和清洁度导致晶体表面熔坑的一个重要原因。通过降低晶体的生长速度可以避免熔坑的出现。     

热丝化学气相沉积法制备优质微米亚微米级单晶金刚石的研究

利用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在硅片衬底上进行微米级（〉1μm）及亚微米级（〈1μm）单晶金刚石的沉积研究。微米级金刚石是以高温高压法（HPHT）制备的1μm金刚石颗粒为籽晶,通过甩胶布晶的方法,在衬底上均匀分布晶种,并通过合理控制沉积工艺参数,在衬底上形成晶形完好的单晶金刚石。在沉积2 h后,可消除原HPHT籽晶缺陷,沉积6 h后,生长出晶形良好的立方八面体金刚石颗粒（约4μm）;对于亚微米级单晶金刚石,是直接在衬底上进行合成,通过调控沉积参数（如衬底预处理方法,偏流大小,沉积时间）对单晶金刚石的分布密度和颗粒度进行控制,经过2 h的沉积,最终获得了0.7μm的二十面体单晶金刚石。