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金刚石人工合成

在这个过程中,触媒起催化与溶剂作用。要知道,一般石墨在10GPa, 3000℃左右才。 可以转变成金刚石,但如果加有触媒则所需要的条件将大为 降低,通常在压力约为5.4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。
三.化学气相沉积法(CVD)
化学气相沉积法法是在真空高温(或放电)条件下,激活提供的碳 基气体(如甲烷),使之分解出碳原子和甲基原子等活性粒子,碳原 子在甲基和氢原子的作用下在选定的基片上沉积生长出金刚石薄膜
常用方法
高温高压法(HPHT)
动态高压法 静态高压法
化学气相沉积法(CVD)
一.动态高压法
科学家们从陨石高速坠落时冲击波作用于其中的石墨可产生金 刚石得到启发,利用动态高压法将石墨碳转变为碳在超高温超 高压下的稳定相——金刚石
即用爆轰法或冲击波法 , 在瞬间 (10-6s量级) 达到金刚石热力学稳定区 (3500K,20GPa) , 从而使部分碳实现了向金刚石的相变。
右图即为爆炸法制金刚石的简易 装置当然,此种方法得到的金刚 石往往含有较多的杂质,需要进 行复杂的分离与提纯操作
二.静态高压法(晶体触媒法)
与动态高压法相比,静态高压法指在相对较长的时间内, 合成温度、 压力都保持相对稳定, 进而实现金刚石的可控生长。
碳源,触媒和籽晶是此装置的基本组成部分。碳源处在 高温端,籽晶置于低温端,碳源和籽晶之间为触媒。在一 定的压力(5~6GPa)和温度(1300~1400℃)下,石墨转 化为金刚石并溶解于触媒中,由于触媒各部位温度不同而 导致金刚石在触媒中的溶解度不同,金刚石将由高温处的 高浓度区向低温处的低浓度区扩散,扩散下来的碳源直接 在籽晶表面上以金刚石的形态外延析出生长。
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钻石恒久远,一颗永流传
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About China
目前,我国人造金刚石年产量已达到 150 亿克拉以上,占世界总产量的 90% 以上,立 方氮化硼的 年产量也达到 3.5 亿克拉以上,占世界总产量的近 70%,我国已成为世界 人造金刚石生产大国。右图为2013年美国进口金刚石数目。
那么我国是用什么方法合成金刚石的呢?
如今,我国最常采用温度梯度法合成金刚石, 使用SDP6X1200型六面顶压机提供高温高压环 境, 温度梯度法生长金刚石单晶的典型组装示意 图如右图。碳源为人造高纯石墨, 置于腔体高温 端; 籽晶为高品级单晶, 高纯Ni Mn Co合金触媒 置于碳源和籽晶之间(压力控制在5. 5 GPa, 温 度1200~ 1300e , 合成速度约控制在1. 0 mg /h)
我国自主研发的六面顶压机设备具有有结构简单、操作及维护方便、 使用要求不高及易于推广、投资小等优点。
但采用这种较为简单的设备 也存在一些不足之处

存在缺点: 1.晶体生长速度较慢,周期较长 2.需长时间维持设备温度温差与压力条件 3. 由于六面顶压机结构上的原因,扩大腔体较为困难。
最为关键的是,我国当前生产总量大,但技术水 平普遍不高,缺乏系列性产品,部分产品的质量 稳定性差,难以满足用户高端使用的需求。
人造金刚石的探究
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金刚石概况
Brief Introduction
金刚石
俗称钻石,是在地球深部高压、高温 条件下形成的一种由碳元素组成的原 子晶体。金刚石具有极强的化学惰性 和优良的半导体性能、是目前自然界 中存在的导热性能最好、透光波段最 宽、声速传播速度最快、硬度最大的 材料。
由于其优异的性能, 金刚石在工业,国 防,科研,医疗等领域都有广泛的用途, 常被用于制作高硬切割工具、精细研磨 材料、半导体材料以及光学材料等。
CVD法制金刚石可用热丝(如钨丝)提供高温 环境(如左图)。热丝法制金刚石所需的高温 环境设备简单,工艺条件较易控制,合成的成 本也比较低。
与HPHT法相比, CVD法的最大的优点在于,金刚石纯度高。在 HPHT法中, 金刚石在熔融的触媒里面生长, 构成触媒的金属原 子或多或少会进入金刚石晶格
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工业现状
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参考文献与致谢
Reference and Thanks
参考文献
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[2]刘陟娜,许虹,王秋舒,陈梅.全球金刚石资源分布现状及我国勘查 开发建议[J].中国矿业,2016,25(07):5-10.
[5]刘军伟. 沉积条件对CVD金刚石膜生长及其掺杂影响的研究[D]. 吉林大学, 2011.
[6]王裕昌.人造大单晶金刚石的合成技术进展及主要应用[J].超硬 材料工程,2008,20(06):28-32.
[7]林峰.超硬材料的研究进展[J].新型工业化,2016,6(03):28-52
关于金刚石的人工合成,我们还有很长很长的路要走
但是,据美国地质调查局统计 ,2014年世界工业级金刚石仅储 量为7.3亿ct(1ct=200mg), 金刚石的稀有度极大地限制了 金刚石在工业的广泛应用。
而这,也激发了一代又一代的科研工作者对人 造金刚石的合成进行了广泛而又深刻的探究。
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人造金刚石的方法
Principles of the Industrial
[3]张书达.动压法合成金刚石的发展史——动压合成金刚石之一[J]. 超硬材料工程,2014,26(04):29-33.
[4]于昆鹏,李尚升,明黄亮,王健康,韩飞,高广进,郭明明,王君卓, 宿太超,胡美华,胡强,吴玉敏.金刚石合成用触媒的应用及展望[J].人 工晶体学报,2018,47(08):1714-1721+1734.
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