第一章 緒 論

1.1 金剛石的結(jié)構(gòu)和特性

金剛石單晶解理面的存在，使其在受到?jīng)_擊力時容易破碎，因而在應(yīng)用中受到了限制。金剛石聚晶無序的多晶構(gòu)成形式，使其在性能上具有了各向同性、無解理面的特點(diǎn)。從使用成本上來講，天然和人造金剛石大單晶價格不菲，而價格相對較低的磨料級金剛石單晶粒度太細(xì)，不適合單體使用。這些條件造成金剛石聚晶成為一種物美價廉的材料，在刀具制造上發(fā)揮了重大作用，被廣泛地應(yīng)用到眾多加工行業(yè)。生長型金剛石聚晶不但可以根據(jù)需要制成多孔體材料、薄膜材料等多種結(jié)構(gòu)，而且可以通過結(jié)構(gòu)改造對其進(jìn)行改性，使其應(yīng)用范圍不斷地擴(kuò)大，例如傳統(tǒng)的生長型金剛石聚晶由于其內(nèi)部的成分復(fù)雜和較多的晶界造成了整體的不透光性，2012年日本愛媛大學(xué)通過靜態(tài)高壓技術(shù)將高純石墨制成透明的純生長型金剛石聚晶，如圖1.6所示，這種新的生長型金剛石聚晶材料[12]，有望彌補(bǔ)生長型金剛石聚晶在光學(xué)應(yīng)用方面的缺陷。

1.2 生長型金剛石聚晶的結(jié)構(gòu)、特性和用途

低壓氣相沉積法是在小于100kPa的條件下，使含碳?xì)怏w中的碳原子在基底（種晶）表面達(dá)到過飽和，以金剛石結(jié)構(gòu)沉積在基底表面。由于這一過程中伴隨著一系列化學(xué)反應(yīng)，因此這種方法被稱為化學(xué)氣相沉積法。此方法沉積的金剛石聚晶中晶粒細(xì)小，具有較高強(qiáng)度和耐磨性；不需要過渡族金屬參與，使其具有良好的熱穩(wěn)定性。更值得注意的是，通過在含碳?xì)怏w中添加雜質(zhì)元素，可使沉積出金剛石聚晶膜具有非常好導(dǎo)電特性，目前此類金剛石膜主要用于光學(xué)及電子領(lǐng)域的功能材料。雖然此方式的缺點(diǎn)是合成過程中內(nèi)部會殘存石墨，影響整體性能，且合成周期長，產(chǎn)能低[68]。
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第二章 生長型金剛石聚晶合成技術(shù)研究在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)中，

由于此種方法中石墨溶解到金屬中并形成金剛石核，只要很少量的金屬包裹住金剛石就能持續(xù)的從周圍的石墨中吸收碳源，所以此種方法被稱為膜生長法（Film Growth Method）；由于是利用腔體中幾毫米厚的金屬層產(chǎn)的溫度差，使高溫處的金剛石溶解后在低溫處析出生長，所以此種方法被稱為溫度差法(Temperature Gradient Method)。下面我們從熱力學(xué)基本原理出發(fā)，分析影響這兩種驅(qū)動力的因素。溶劑理論對單晶金剛石成中的碳素轉(zhuǎn)化驅(qū)動力解釋的非常完美，但是沒有針對生長型金剛石聚晶合成中金剛石析出的驅(qū)動力進(jìn)行專門的闡述，我們將結(jié)合溶劑理論的基本原理，在第五章中運(yùn)用溶劑理論對金剛石聚晶的合成進(jìn)行闡述。近年來，國內(nèi)外研究人員發(fā)現(xiàn)在極端的高溫高壓條件(13GPa 和 2000℃的壓力和溫度以上)下，多種碳材料在無添加劑的情況下可直接轉(zhuǎn)變成純金剛石聚晶。這種純金剛石聚晶在硬度、彈性模量、熱穩(wěn)定性和抗沖擊韌性方面比金剛石單晶性能更好，具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上所示，本論文主要開展以下幾方面的研究：1、在現(xiàn)有工業(yè)化一次加壓高壓設(shè)備能夠提供的高溫高壓條件下，設(shè)計適合合成生長型聚晶的旁熱式合成組裝和工藝，并設(shè)計金剛石聚晶除金屬工藝。2、采用鎳基（Ni70Mn25Co5）為熔滲劑，摸索熔滲法合成生長型金剛石聚晶的條件，研究不同合成壓力，合成溫度，保溫時間，初始金剛石粒度對金剛石聚晶生長的影響，并借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、XRD、能譜和硬度儀等設(shè)備對合成樣品進(jìn)行表征。3、探索硼摻雜金剛石聚晶的合成，對合成的樣品進(jìn)行性能表征，研究合成條件對其導(dǎo)電性能影響的規(guī)律。4、在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析熔滲法合成生長型金剛石聚晶的機(jī)理，并用溶劑理論對其過程進(jìn)行分析解釋。

第三章 生長型金剛石聚晶的高溫高壓合成及表征 ............21

第四章 生長型硼摻雜金剛石聚晶的合成及表征 ..............23
第五章 熔滲法合成生長型金剛石聚晶機(jī)理研究 ..............25
第六章 結(jié)論與展望 ...........27
6.1 結(jié)論.......... 27
6.2 展望................. 29

第五章 熔滲法合成生長型金剛石聚晶機(jī)理研究

但現(xiàn)有工業(yè)大腔體高壓設(shè)備尚不能滿足此類純金剛石聚晶的合成條件，為了實(shí)現(xiàn)此類制品在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，研究相對較低的壓力和溫度條件下純金剛石聚晶合成技術(shù)，已成為目前的研究熱點(diǎn)，，深受各國學(xué)者關(guān)注。1955 年美國 GE 公司在 Nature 上發(fā)表題為《MAN-MADE DIAMONDS》的文章，宣布在明顯低于石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛石的條件下，用金屬溶劑法實(shí)現(xiàn)了金剛石單晶合成[69]。隨后大量研究表明在 6GPa 和 1500℃的壓力和溫度范圍內(nèi)金屬溶劑可使碳以金剛石形析出，生長為金剛石單晶[74-78]。因此只要使碳以金剛石形式在金剛石顆粒間的溶液中析出生長，再將金剛石聚晶中的金屬除去，得到純金剛石聚晶就具有可行性。但實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)的另一個關(guān)鍵點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)顆粒間充分粘結(jié)的前提下制造出貫穿整體的孔洞通道，有利于金屬的排出。因此我們將在本論文中開展對熔滲法合成生長型金剛石聚晶的系統(tǒng)研究，利用金屬熔滲造成的微通道，來嘗試合成純金剛石聚晶。

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第六章 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

本論文依據(jù)溶劑理論，采用全新設(shè)計的適合熔滲法合成生長型金剛石聚晶的新型旁熱式組裝工藝和先進(jìn)的高溫高壓合成工藝，在國產(chǎn)六面頂壓機(jī)上成功合成了優(yōu)質(zhì)生長型金剛石聚晶和硼摻雜金剛石聚晶，并采用特殊的凈化處理工藝獲得了生長型純金剛石聚晶，提出了生長型金剛石聚晶的生長機(jī)制，為生長型純金剛石聚晶的規(guī)�；a(chǎn)提供了重要技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：1、設(shè)計了適合生長型金剛石聚晶合成的新型旁熱式組裝（已獲得發(fā)明專利授權(quán)）和一次升壓快速升溫合成工藝（已獲得發(fā)明專利授權(quán)），并提出了有效的凈化處理工藝。2、以鎳基（Ni70Mn25Co5）為熔滲劑的生長型金剛石聚晶的合成條件摸索，研究不同壓力、溫度、時間、粒度對金剛石聚晶生長的影響，并結(jié)合掃描電鏡、XRD、能譜等測試設(shè)備分析規(guī)律.

6.2 展望

本文對熔滲法合成生長型金剛石聚晶進(jìn)行了研究，將溶劑理論引入到熔滲法合成金剛石聚晶的合成理論中，在溶劑作用下合成了純金剛石聚晶和硼摻雜金剛石聚晶，對于此項(xiàng)工作的研究還有很多工作有待后人進(jìn)行研究：1、在現(xiàn)有一次加壓的工業(yè)高壓設(shè)備上成功的合成了純金剛石聚晶，我們合成的生長型純金剛石聚晶具有高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，有待后人推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2、我們成功合成出了生長型硼摻雜金剛石聚晶，樣品體現(xiàn)出了較好的導(dǎo)電性能，由于其多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更是電極材料的理想選擇，有待后人推廣其應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并進(jìn)一步對其超導(dǎo)特性等其他性能進(jìn)行研究。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：148763