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。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石单晶的机理研究（下）

2 金属包覆膜物相结构的系统表征[16] 2．1 金属包覆膜的形成 片状工艺中金刚石在触媒与碳片界面处形核,优先向碳源充足的碳片一侧生长,生长前端总是包覆着一层金属熔体。     

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。     

真空微蒸发镀钛对金刚石晶体形貌及性能的影响

采用真空微蒸发镀覆技术对由铁基触媒高温高压合成的金刚石单晶进行了镀钛处理.以相同粒度和型号的普通金刚石为对比样品,讨论了镀钛处理对金刚石晶体形貌及性能的影响.结果表明,金刚石表面形成致密、连续的金属镀层使其纯净度和透光性下降;界面反应的发生和碳化物过渡层的生成,增加了晶体的表面粗糙度,晶体结晶形态发生微变.金刚石会因镀层对表面缺陷的弥合和与晶体的冶金结合而得到强化.在镀层的保护下,金刚石可免受热损伤,热稳定性得到提升.     

铁基触媒合成含硼金刚石单晶颗粒的电阻-温度特性

以铁基合金掺入硼铁粉为触媒剂,石墨为碳源,在高温高压条件下合成含硼金刚石。光学显微镜和Raman散射仪观察了金刚石的表面形貌与晶体结构。用自制的电阻-温度测量仪对金刚石进行电阻．温度曲线进行测量,结果表明,随着温度升高,电阻逐渐降低,证明该金刚石具有负的电阻温度系数;继续升温,金刚石内的杂质发生电离,当杂质全部电离时,金刚石处于半导体的饱和区;温度进一步升高,金刚石进入本征电离区。     

氧含量测定方法及在人造金刚石用触媒质量控制中的应用

目前人工合成金刚石主要采用有触媒合金参与的高温高压静压法,触媒合金中的氧对金刚石的形核长大以及晶体质量影响很大,尤其是采用易氧化的铁基合金作触媒更为明显.阐明合金中氧对金刚石形核生长以及质量影响机理研究,已经成为国内外金刚石工作者关注的重点.本文综述了几种常用的测定氧含量的方法,在阐述机理的基础上对其进行了分类比较,同时对铁基触媒中氧含量的红外定量检测以及氧含量在触媒制备过程中的变化规律进行了探讨.     

用片状粉末冶金铁基金刚石催化剂合成金刚石

利用自行研制的片状粉末冶金铁基金刚石催化剂在六面顶压机上进行了金刚石合成试验。结果表明:该催化剂使合成金刚石耗用电流明显降低,并使因“放炮”造成的硬质合金顶锤消耗几乎减少到零;由于铁基催化剂形成的金刚石包覆膜极脆,有望实现合成块的机械式分离,减少电解或酸洗对环境造成的严重污染;同时合成的金刚石晶型好、强度高,可满足工业生产要求。     

铁基触媒合成金刚石的压力功率动态匹配工艺研究

理论分析和生产实践都证明,在高温高压合成金刚石过程中合成腔体的压力和温度随着合成时间的延长而不断变化,即金刚石生长的工作点是漂移的.为避免合成腔体压力与温度的波动,为金刚石晶体的生长提供一个相对稳定的条件,应抑制工作点的漂移,主要的措施是采用非恒压力加压和非恒功率加热.使用粉末冶金铁基触媒进行了压力与功率动态匹配的金刚石合成工艺初探.实验发现,采用新工艺合成出的金刚石产量大,粒度粗,晶型好,机械性能高,主要性能指标均超过机械行业标准《人造金刚石技术条件》(JB/T7989 1997)对锯片级金刚石的技术要求,评级可在SMD30以上.     

弱化胎体可提升金刚石锯片切割硬质瓷砖效果

针对全瓷或者全抛釉瓷砖强度及硬度高但是研磨性弱,普通锯片切割时易打火的特点,以石墨粒为添加剂,弱化金刚石锯片胎体的耐磨性,降低锯片与瓷砖的摩擦,实现胎体耐磨性与金刚石磨粒耐磨性的良性匹配,确保金刚石能够及时出刃参与切割,以获得良好的锯片锋利性和切割的稳定性。试验证明:添加石墨粒到金属胎体中确实可以弱化金属胎体,且锯片的切割速率得到了相应的提高;当石墨质量分数为6%时,锯片切割速率增幅在20%以上。      

Fe-Ni-C体系高温高压生长金刚石单晶的碳源供给

在Fe-Ni-C体系中高温高压生长金刚石单晶,通过对触媒和金属包覆膜的物相结构表征、相图分析以及热力学计算等方法探讨金刚石形核长大的碳源供给。研究发现:在金刚石形核的初期,由于石墨的不断熔入,触媒熔体会迅速形成对碳的过饱和溶液,并析出初生渗碳体。金刚石单晶合成之后触媒和金属包覆膜的组织与物相均以渗碳体为主。相图分析发现,金刚石的形核长大伴随有渗碳体的分解。热力学计算表明,在金刚石稳定生长区域,渗碳体向金刚石转变的相变自由能比石墨-金刚石的相变自由能更负。由此说明,Fe-Ni-C体系高温高压生长金刚石单晶的直接碳源并非石墨,而是渗碳体,即金刚石单晶来源于渗碳体高温高压的金刚石化而不是石墨的直接转化。