高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石单晶的机理研究(上)

从三个方面综合介绍了本课题组近几年来采用Fe-Ni-C系在高温高压下合成优质金刚石单晶的研究成果:1)采用单质金属铁、镍粉和石墨粉以及粉末冶金方法制备出新型铁基触媒,利用六面顶压机合成了高品位的金刚石单晶;2)采用现代分析测试方法对金刚石单晶外的金属包覆膜物相结构进行了系统表征和分析;3)基于固体与分子经验电子理论(EET理论)和托马斯-费米-狄拉克-程开甲理论(TFDC理论)对金刚石合成过程中相关物相(金刚石、石墨、Fe3C((Fe,Ni)3C)和γ-(Fe,Ni)等)的价电子结构进行了计算和论证。实验分析与理论研究结果表明,单质金属粉辅以粉末冶金方法同样可以实现高品位金刚石单晶的合成;金属包覆膜中存在大量的Fe3C、(Fe,Ni)3C类型的金属碳化物和γ-(Fe,Ni)型金属中间相,且γ-(Fe,Ni)与金属碳化物的对应晶面之间存在相互平行的位向关系;金刚石与石墨主要晶面间的平均共价电子密度在一级近似条件下均不连续,而Fe3C与金刚石或Fe3C与γ-(Fe,Ni)之间存在界面电子密度连续性,因此证明Fe3C/金刚石界面能够满足金刚石生长的边界条件。研究结果表明,金刚石单晶生长的碳源并非直接来源于石墨,而来源于在金属中间相的催化作用下,由金属碳化物过渡相中脱溶出的、具有类SP3杂化态的C-C原子团,因此从实验和理论上进一步支持了金刚石合成的"溶剂-催化"理论。     

铁基触媒合成金刚石形成的金属包膜的组织结构

利用SEM，TEM和Raman光谱检测手段，研究了铁基触媒合成金刚石形成的金属包膜的组织结构。结果表明：包膜与合成后触媒的组织形貌不完全相同，包膜内无金刚石，在靠近金刚石的包膜内层没有石墨和无定型碳。据此并结合包膜所起的溶碳和催化作用分析，在高温高压下，金刚石成核和生长的碳来源于靠近金刚石的包膜层(Fe，Ni)3C的分解产物，分解后的(Fe，Ni)3C转变为γ—(Fe，Ni)，这时的γ—(Fe，Ni)与末分解的(Fe，Ni)3C保持晶面平行关系。     

金刚石单晶/镍基金属包膜界面的相结构和形貌

利用透射电镜和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)研究了高温高压合成金刚石过程中金刚石单晶/镍基金属包膜的界面结构和形貌.分析表明:金刚石/金属包膜界面包膜一侧由Ni3C,Mn23C,γ-(Ni,Mn)和纳米级金刚石颗粒组成,未发现石墨结构;金刚石晶面的AFM形貌与所对应的包膜表面形貌相近,但又不互为负形;金刚石(100)晶面为细小的颗粒状表面,而(111)晶面呈现出有台阶的平直表面.结果表明:金刚石的生长不是源于石墨结构的直接转变.在高温高压下,金刚石/包膜界面至包膜熔体的温度梯度差异导致了金刚石晶面形貌的不同.     

高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究(下)

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子(团)扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子(团)扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

Fe3C型碳化物与人造金刚石晶面价电子结构分析

基于高温高压合成金刚石过程中铁基触媒及其金属包膜中存在大量Fe3C型碳化物的实验结果,利用余氏理论(empirical electron theory of solid and molecule,EET)分析了Fe3C型碳化物内C-C键组成晶面和与之对应的金刚石晶面的共价电子密度,发现它们在一级近似下存在连续性,满足程氏理论(improved Thomas-Fermi-Dirac theory advanced by Cheng,TFDC)提出的原子界面边界条件.分析结果表明:高温高压下的金刚石单晶生长与Fe3C型碳化物的分解有关.在4种Fe3C型碳化物中,(Fe,Ni)3C内的C-C键组成晶面和与之对应的金刚石晶面的共价电子密度连续的组数最多.因而认为:合成金刚石过程中使用含镍的铁基触媒,在高温高压下形成的(Fe,Ni)3C作为碳源,最容易转变为金刚石.     

特殊类含硼金刚石合成的实验研究

介绍了特殊类型含硼金刚石的合成技术与特性.讨论了掺杂物含硼原料、合成工艺、实验条件对金刚石晶体生长的规律、性能和质量的影响,以及含硼金刚石合成机理和硼在合成中的作用.指出了进一步提高特殊类型含硼金刚石质量的方法与途径.     

关于人造含硼金刚石晶体结构及抗氧化性的研究

人造金刚石的抗氧化性是国际上评价其性能优劣的重要指标.文章以粉末铁基触媒中掺入不同含量的供硼剂为硼源,用静压法得到含硼量不同的人造金刚石.利用光学显微镜、X射线衍射仪和差热分析仪对含硼金刚石的晶形、晶体结构和抗氧化性能进行了研究,并与同样工艺条件下得到的普通金刚石进行对比,结果证明此种合成方法能够得到抗氧化性能优异的金刚石.     

用含硼T641石墨制造硼皮含氮人造金刚石的研究

介绍了用含硼Ｔ６４１ 石墨材料,研制硼皮含氮人造金刚石实验方法、条件、工艺及结果。讨论了影响硼皮含氮人造金刚石实验效果。硼在晶体中分布特征及其性质的因素。提出了进一步提高硼皮含氮金刚石质量的途径。     

添加剂硼对合成细颗粒金刚石单晶的影响

实验在国产六面顶压机上利用高温高压方法,在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成出了细颗粒金刚石单晶,找到了合成含硼细颗粒金刚石单晶的最佳添加比例.实验结果表明:随着硼添加量的增加,晶体的颜色逐渐加深,合成细颗粒金刚石单晶的最低压力点呈动态变化趋势.在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成的金刚石单晶容易出现包裹体,且颗粒细化后依旧没有大的改善,原因与硼的电子结构有关.     

铁触媒表面的氧化铁包覆层对金刚石成核的影响

在国产SPD 6×1200型六面顶压机上,研究了高温高压条件下铁触媒表面的氧化铁包覆层对金刚石成核的影响.研究发现,在5.7GPa和1600℃的条件下,铁触媒表面的氧化铁包覆层与石墨碳源发生氧化还原反应而生成了Fe3O4和FeO,同时包覆层内部的铁熔融渗出,并与石墨碳源接触,促使了金刚石的成核生长.与纯铁触媒相比,氧化铁包覆层对金刚石成核具有明显的抑制作用,而且随着包覆层厚度的增加,抑制作用更明显.文中同时还借助穆斯堡尔谱、X-ray衍射和扫描电镜测试手段,对上述实验机理进行了深入的探讨.