铁基触媒合成工业金刚石中包裹体研究

借助穆斯堡尔谱的测试方法,对不同铁基粉末触媒合成的工业金刚石中的包裹体进行了检测,结果表明,纯Fe触媒合成的金刚石晶体中的包裹体为a—Fe和Fe3C;Fe90Ni10和Fe80Ni20合成的金刚石晶体中的包裹体主要以FeNi合金和Fe3C形式存在,同时随着触媒中的Fe含量的降低,包裹体Fe3C的相对含量随之降低。另外,对包裹体的形成机制进行了分析。通过对包裹体的成分和形成机制的研究,提出了有效减少金刚石中包裹体的方法。     

金刚石的流体包裹体及生成模式

金刚石的化学成分是碳元素,其晶体是在高温高压和还原条件下形成的,一般生成于岩石圈下的地幔中。通过对金刚石中包裹体周围破裂系统的研究、包裹体内部压力的确定和稳定同位素的研究,表明金刚石在运移至剥露时保持了其化学状态巳未受到混染,因而保存了地球深部的重要信息。     

(FeMn)_xAl_(1-x)-C体系金刚石的高温高压合成

利用F eM n-C体系以及添加剂A l,在国产六面顶压机上分别进行了合成金刚石单晶的实验,研究了在高温高压条件下(5.6~5.8 GPa,1400℃~1600℃)(F eM n)xA l(1-x)-C(0≤x≤1)体系金刚石生长特性。通过光学成像显微镜、扫描电镜(SEM)和显微红外光谱、穆斯堡尔谱等分别对合成后的金刚石晶体的颜色与形貌,含氮量以及内部杂质进行了测试分析。研究结果表明,(F eM n)xA l(1-x)-C体系可合成晶面完整的八面体金刚石晶体;无A l(x=1)添加时,合成晶体的生长速度较快,添加A l(x≠1)后,晶体生长速度明显变慢;无A l添加时,体系合成晶体的含氮量较高,而添加A l后,含氮量明显降低;无A l添加时,合成晶体内部的包裹体主要成分是F e3C和F e,添加A l以后,合成晶体内包裹体主要成分是F eA l合金。     

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。     

天然金刚石与合成金刚石的区别

本文首先介绍了一些重要的概念,这些概念对理解晶体的生长机理,以及解释为什么同种类的晶体可呈现多种多样的形态是很必要的。文章接着以热动力学分析为基础,阐述了天然的和合成的金刚石晶体在金刚石稳定区内的生长条件,以及CVD金刚石在不稳定区内的生长条件。由于生长条件和环境相的不同,金刚石在生长过程中可发育成具有不同形态特征的晶体,可据此分为三个类型。天然金刚石与两种合成金刚石的主要区别在于其{100}界面的粗糙度不同。当金刚石生长于硅酸盐溶液(天然的)时,它的{100)界面粗糙,其生长机理为吸咐生长型;而在金属-碳溶液中生长或化学气成环境生长形成的金刚石晶体则具有平滑的界面;在合成金刚石生长过程中,{100}面的形成机理是二维成核生长或者螺旋生长。由于上述这些差异可以被不同的单晶以生长扇、生长带、位错的空间分布及其它晶格缺陷等不同形式记录下来,因此,也可以用适当的方法检测出来,纵然晶体已被切割并抛光过也是如此。为了检测这些差异,宝石实验室采用的最佳方法是联合使用阴极发光形貌法和光学显微镜法。文中举例说明了天然的和合成的宝石级金刚石的CL图象差别。     

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。     

现代测试技术在金刚石包裹体研究中的应用

应用现代测试技术研究金刚石中的包裹体可为探索金刚石成因和地幔岩石圈性质及演化等重大问题提供重要的依据.采用激光拉曼探针(LRM)分析技术可以获得包裹体分子振动和分子配位体结构的信息, 适用于研究金刚石中的固体及流体包裹体.用电子探针分析(EMPA)技术可以分析金刚石内包裹体的主元素类型和含量, 可根据分析数据计算其化学结构式和确定包裹体的名称.用激光剥蚀电感耦合等离子质谱分析(LA-ICPMS)技术可准确得到样品中的主要元素、微量元素等信息, 相对其它测试技术可获得更加完整的金刚石中包裹体的信息.对于不同的包裹体样品, 运用恰当的分析方法是成功获得重要信息的关键.     

巴西砂矿金刚石产地特征及比较研究

金刚石产地来源的确定是国际性难题,其中由于砂矿金刚石可能存在搬运过程的混合,其产地来源的确定更加具有争议性。巴西金刚石绝大部分来源于砂矿,从成矿地质背景、形貌和颜色、内部结构、矿物包裹体、微量元素、C同位素组成分布等六个要素总结分析了巴西金刚石研究的相关成果,为国际砂矿来源金刚石产地辨识提供参考。研究结果显示,巴西大部分矿区金刚石的特征与世界范围其它矿区的相似,以橄榄岩型为主,难以相互区分。但其中Juina地区和Machado河产地的金刚石具有独特的氮含量(无氮的Ⅱ型为主)和聚集状态,内部结构、矿物包裹体组合及温压环境特征均显示出深部地幔来源的特点,和巴西其它产地具有一定的区分度。与世界范围不同产地砂矿来源金刚石的基本特征对比显示,不同国家具体地区砂矿金刚石在上述不同要素的组合上存在一定的差异性,但总体上要借助现有资料进行产地来源的准确判断还非常困难,需要进行更深入细致的工作。     

高温高压下金刚石同质外延生长的研究

文章在铁镍-石墨体系中,对金刚石晶形在不同生长条件下的形成过程进行了研究,并通过对合成晶体的形貌分析,进一步推测金刚石晶形的形成过程。实验中发现,后期合成晶体的晶形与前期合成晶体的晶形以及表面粗糙程度有着密切的联系;金刚石晶体在光滑完整的表面生长速度较快,而且合成晶体的晶形较为规则;不具备完整晶形的晶体在生长后期也能通过自身调节形成具备完整晶形的晶体,但合成晶体的规则性较差,表面容易出现缺陷,而且体系中出现大量自发核,为进一步了解金刚石的同质外延生长,以及金刚石晶体晶形的形成过程提供了一种新途径。     

采用六方氮化硼合成Ⅱb型金刚石单晶的试验研究

在铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼,采用粉末冶金方法制备片状触媒,在六面顶压机上进行金刚石合成试验。通过对比主要的合成参数发现,掺杂适量的六方氮化硼能够提高触媒的电阻,虽然对金刚石的成核有一定的抑制作用,但是有利于降低合成功率,同时有利于金刚石的粒度增粗。对合成出的金刚石的性能检测发现,适量的六方氮化硼掺杂有利于净化金刚石晶体,减少杂质与包裹体的数量,有利于降低磁化率,提高晶体的静压强度和冲击韧性。     

碳源扩散不均一性对宝石级金刚石单晶生长的影响

高温高压温度梯度法生长优质宝石级金刚石单晶过程中,晶体生长主要由碳源在触媒中的扩散过程决定。本研究通过有限元对碳源对触媒的扩散过程进行了简单模拟,结果发现,受温度梯度法特定组装结构影响,实际晶体在生长过程中,由高温端扩散下来的碳源在触媒中的分布是相当不均匀的。对晶体生长来说,这种碳源扩散不均一性会直接影响晶体的生长过程。在籽晶粒度超过2mm时,晶体中心部位出现较多包裹体,或者生长表面无法生长愈合。     

溶液中金刚石晶体生长的第三种驱动力

溶剂作用下金刚石晶体生长的驱动力通常有两种。它们分别取决于过剩压和温度差。但金刚石烧结体中出现的异常粒成长现象却不能用这两种驱动力来解释。介绍和分析了自己实验结果的主要规律和典型例证,说明金刚石微粉与粗晶粒之间的表面自由能之差是异常粒成长的驱动力,提出利用这种驱动力来生长金刚石大单晶的设想,并对这种驱动力在天然金刚石生长过程中的作用进行了讨论。     

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。     

天然与Fe-C（H）系高温高压合成金刚石多晶的光学属性对比研究及意义

山东蒙阴天然金刚石多晶与Fe-C（H）系高温高压（HPHT）合成金刚石多晶的光学显微镜、拉曼光谱、光致发光谱及红外光谱等的对比研究表明,相似的金刚石晶粒形态、表面生长台阶、结构功能团及缺陷等决定着两者存在成因上的联系;而自金刚石多晶的深部至表面,缺陷的不同变化规律及金刚石晶粒间聚集方式的差异等暗示着两者的生长历史并不完全相同;天然金刚石多晶的形成可能经历早期快速成核-长大、中期长大及漫长的后期改造三个阶段;基于晶体成核、长大及后期改造的思想,从微结构、微成分的角度厘定金刚石多晶中的标型信息,有利于拓展金刚石找矿、地球深部重大科学问题探讨等的思路和方法,也有利于为高品级金刚石多晶的合成提供新的科学线索。     

天然与Fe-C（H）系高温高压合成金刚石多晶的光学属性对比研究及意义（下）

山东蒙阴天然金刚石多晶与Fe-C（H）系高温高压（HPHT）合成金刚石多晶的光学显微镜、拉曼光谱、光致发光谱及红外光谱等的对比研究表明,相似的金刚石晶粒形态、表面生长台阶、结构功能团及缺陷等决定着两者存在成因上的联系;而自金刚石多晶的深部至表面,缺陷的不同变化规律及金刚石晶粒间聚集方式的差异等暗示着两者的生长历史并不完全相同;天然金刚石多晶的形成可能经历早期快速成核-长大、中期长大及漫长的后期改造三个阶段;基于晶体成核、长大及后期改造的思想,从微结构、微成分的角度厘定金刚石多晶中的标型信息,有利于拓展金刚石找矿、地球深部重大科学问题探讨等的思路和方法,也有利于为高品级金刚石多晶的合成提供新的科学线索。     

粉末触媒、石墨配比对合成金刚石质量的影响

将不同配比的Fe70Ni30粉末触媒与石墨混合压制成粉末触媒合成棒,在国产六面顶压机上进行金刚石高温高压合成实验,并对合成的金刚石单产、粒度分布、晶形、抗压强度值、TI、TTI值进行了对比测试与观察分析。结果表明,对Fe70Ni30粉末触媒合成棒而言,当合成棒中Fe70Ni30粉末触媒含量为30%时合成金刚石的单产达到最大值,金刚石的TI、TTI值较高且TI/TTI差值最小,热冲击韧性最好。     

PC钢棒拉伸断口异常原因分析

用φ14 mm的45Si2Cr盘条生产1 420 MPa级φ13 mm光圆PC钢棒时,出现拉伸断口异常。分别对正常断口和异常断口进行宏观、微观形貌分析,正常断口为杯锥状,钢棒延伸率为8%,面缩率为41%;异常断口为脆性断口,钢棒延伸率为6%,面缩率为16%。正常断口微观形貌为韧窝状;异常断口为准解理,裂纹沿晶界分布。对正常断口和异常断口进行夹杂物分析,正常、异常断口处夹杂物直径分别为15,40μm,正常、异常断口的显微组织在边部、1/4部位差别不大,但异常断口心部组织较为粗大。钢中夹杂物和氢的共同作用是产生拉伸异常断口的主要原因。