不同晶形粗颗粒（0．8mm）金刚石单晶的高温高压合成

优质粗颗粒金刚石单晶（尺寸达0．8mm）在制备金刚石工具方面具有重要的应用,其合成条件相对于普通工业金刚石单晶更为苛刻。文章介绍了在具有高精密化控制系统的国产SPD6×1670T型六面顶压机上进行优质粗颗粒金刚石单晶的合成研究。通过采用先进的旁热式组装和粉末触媒技术,并优化了合成工艺,在高温高压条件下（5．4GPa,1300℃～1435℃）成功合成出尺寸为0．8mm（20目）三种不同晶形的粗颗粒金刚石单晶。     

“柱状”金刚石晶体的高温高压合成

利用普通触媒和自行研制的新型触媒A，在国产六面顶压机上分别进行了合成金刚石单晶的实验。研究表明，普通粉末触媒合成出的金刚石单晶呈黄色，晶形完整，晶形是六一八面体，晶体透明度较好，并且合成出晶体的粒度比较集中，大约为0．3mm。用新型触媒A合成的金刚石单晶呈绿色，并且晶形以长条晶体出现，长度集中在（0．5～0．7）mm。用SEM电镜观察到，前一种晶体晶形完整，表面光滑，后一种晶体表面也比较平整，存在“V”形缺陷。含氮量分析结果表明，用普通粉末触媒合成的金刚石的含氮量较低。     

高强度金刚石的合成技术

介绍了合成高强度(225～258N)金刚石单晶对炭源材料、触媒合金、试块组装方式及合成参数的要求，讨论了原料、合成工艺与合成条件对合成高强度的优质金刚石的影响及合成机理。     

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。     

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。     

Ib型宝石级金刚石单晶的多晶种合成

高温高压下温度梯度法合成宝石级金刚石时,合成周期较长。单晶种合成效率低下,通过多晶种法可以直接有效地提高合成效率,因此文章对多晶种生长宝石级金刚石进行了研究,在高温高压条件下成功实现了多颗粒2-3mm级金刚石单晶的合成,优质单晶的平均增重速度最快可达1．88mg／h。     

特殊类型金刚石合成用触媒的实验研究

叙述了特殊类型金刚石合成用触媒的实验结果及其在金刚石合成中所产生的作用和影响,讨论分析了合成的特殊类型金刚石晶体性能比普通金刚石晶体性能较优的原因。在讨论分析的基础上,为提高人造金刚石质量与合成优质特殊类型金刚石用触媒的选择指出了有效的方法与途径。     

用掺杂N、H化合物的粉末触媒合成金刚石的研究

氮和氢元素是天然及人工合成金刚石中重要的杂质元素,对金刚石的性能有着十分重要的影响。本工作中,先利用有机氮氢化合物三聚氰胺的分解提供氮与氢源,研究了大量的氮和氢在粉末触媒合成金刚石中对金刚石生长的影响。结果表明:大量的氮和氢的存在,将严重抑制金刚石的成核。然而,用含少量的添加剂氮化物Mx N的粉末触媒在国产六面顶压机上却能合成出优质金刚石单晶。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触媒合成的金刚石的晶面上有凹线出现。用扫描电镜对凹线的形貌进行了细致的观察。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     

间接加热合成工业金刚石工艺的研究

在工业金刚石的合成过程中．合成工艺对其有着重要的影响。文章在国产六面顶高压设备上。利用膜生长法．在Fe—Ni—C体系中对影响金刚石合成的工艺参数进行了考察。通过对合成工艺的调整,成功实现了对生长速度的有效控制,并成功合成出平均粒度为0．6mm的优质金刚石单晶。     

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sp3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。     

优质细颗粒金刚石单晶的高温高压合成与表征

文章利用国产六面顶高温高压设备,根据对金刚石合成不同区域的生长特点,通过对合成工艺的调整,实现了对体系中金刚石成核率与生长速率的控制,并成功合成出了具有完整晶形,尺寸大约在2-10μm的优质细颗粒金刚石单晶。通过热重-差热分析以及Raman光谱测试发现,合成具备完整晶面的细粒度金刚石单晶抗氧化强度大于表面粗糙的同粒度的金刚石微粉破碎料,且合成的晶体内部存在较小的残余应力。     

超细石墨粉体高温高压合成金刚石研究

为研究超细石墨粉体合成金刚石的可能性,以5000目的超细石墨粉和Fe70Ni30触媒为原料,用静态高压技术合成出金刚石。研究结果表明：以超细石墨粉为碳源材料合成金刚石是完全可行的,但在合成晶体里发现有大量缺陷存在;合成金刚石单产接近120ct,明显要高于相同合成腔体和工艺条件下合成普通金刚石的单产;晶体粒度平均为270μm左右,小于相同条件下以200目人造石墨粉为原料合成晶体的粒度。以超细石墨粉体为碳源材料合成金刚石的生产工艺等各方面影响因素有待深入研究。     

含硼金属包覆膜的物相结构与含硼金刚石的生成

使用以FeB为硼源的含硼粉末冶金铁基触媒,在六面顶压机上高温高压合成含硼金刚石单晶。金相观察发现,金刚石金属包覆膜由粗大的板条状渗碳体和细密的莱氏体共晶组织构成。X射线衍射（XRD）发现,金属包覆膜的物相组成为（Fe,Ni）3C、（Fe,Ni）3（C,B）、石墨（Gr）以及γ-（Fe,Ni）（A）。使用透射电镜（TEM）在包覆膜中发现了颗粒状的Fe3（C,B）,条状的γ-（Fe,Ni）和颗粒状的Fe23（C,B）6。电子探针分析（EPMA）结果表明,硼元素在包覆膜中存在浓度梯度,越接近含硼金刚石,硼元素的含量越高。分析认为,高温高压下硼是以铁-碳-硼化合物的形式通过金属包覆膜向金刚石晶体扩散的,Fe3（C,B）或（Fe,Ni）3（C,B）极有可能是含硼金刚石生长的直接碳源和硼源。     

Fe—C（H）系高温高压合成金刚石多晶的RAMAN与PL光谱研究

Fe—c（H）系高温高压合成金刚石多晶的FESEM,RAMAN和PL光谱研究表明：构成多晶的金刚石晶粒多为八面体形态,同时其形成环境比较稳定。在金刚石晶粒中存在与氮相关、与镍相关及塑性形变等缺陷,且不同金刚石晶粒中的缺陷不完全相同。基于镍易在金刚石中形成发光中心及氢可以加速金刚石多晶的形成,为了提高金刚石单晶的质量,应该尽量在压腔中使用纯铁作为触媒,且在引入氢的同时除氮。     

碳素扩散场对塔状晶体合成的影响

高温高压温度梯度法生长宝石级金刚石时,碳素的扩散场会对晶体品质产生很大影响。不同分布的扩散场适合生长不同形貌的晶体。研究发现,图1的碳素扩散场适合生长尺寸较大的板状晶体。合成高温塔状晶体时,若β〉0．6,合成出的绝大多数晶体内都会出现大量的包裹体。该扩散场不适合生长卢值较大的塔状晶体。通过有限元模拟,得到了该扩散场碳素浓度等值线分布图。找到了该扩散场适合板状晶体生长的原因是碳素在扩散场的分布与板状晶体的形貌要求相匹配,与塔状晶体生长的要求相违背导致的。     

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。     

优质金黄色工业金刚石的高温高压合成

在铁基触媒中引入添加剂,利用高温高压法,成功地合成了金黄色的工业金刚石。研究发现,随着添加剂含量的提高,合成金刚石的最低压力和某确定压力下的最低生长温度都呈增加趋势。另外,这种添加剂对金刚石的自发成核有一定的抑制作用,而且随其添加量的逐渐增加,这种抑制作用逐渐增强。在光学显微镜下进行观察,发现所合成的晶体呈完整的八面体形状,包裹体少,透明度高,优晶率达到80％以上。通过与无添加剂样品合成的金刚石进行对比,发现两种情况下所合成的晶体生长速度相近,晶体形貌相似,只是前者表面的凹坑呈三角形,而后者表面的凹坑呈圆形。