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人造金刚石

发布日期:2021-01-10 11:49 作者:泛亚电竞

  自18世纪证实了金刚石是碳的一种致密相以后,科学家便试图用压缩碳的方法实现金刚石的人工合成.1954年,Hall在前人工作的基础上应用改进的Belt装置在高温高压下合成了金刚石.1961年,Bundy等人从实验上详细地确定了金刚石生长的温度(T),压强(p)的范围,由此确定的金刚石与石墨的平衡线与Berman等人的理论计算结果十分接近. 它为人工合成金刚石提供了依据. 1966年,Bundy等人在13GPa及高于1000℃的条件下合成了六方(纤锌矿型)金刚石,从而完成了两种晶系——立方及六方金刚石的人工合成.

  目前,人造金刚石的合成方法可分为高压法低压法两类. 在高压法中包括动态高压法——爆炸法和静压法——直接转变法和触媒法. 低压生长金刚石的方法有CVD、PCVD等多种物理化学汽相沉积方法. 1976年,Derjaguin首次用低压法成功地生长了金刚石晶体. 低压法主要利用电能、热能使某些含碳的有机物如甲烷、乙醇等分解并在一定的衬底如硅片、碳化钨片上生长金刚石晶体. 在高压合成法中,爆炸法设备简单,单次产量高(几十克),但晶粒细碎(~1μm).静压法虽然设备昂贵,单次产量低(几克),但晶粒粗大(一般~100μm,最大粒径可达~2mm),且容易控制生长条件,晶体形状亦较完整,故工业生产中多采用静压合成方法,特别是静压触媒法应用最为普遍. 该法多采用两面顶或六面顶高压装置,以纯度及石墨化程度较高的石墨为原料以金属Fe、Co、Ni、Mn、Ti及它们的合金为触媒,在高压及高温作用下使石墨转变成金刚石.

  人造金刚石一般为Ib型,通常为淡黄色透明晶体,故称黄金刚石.在原料石墨或触媒中加入微量硼后所得金刚石晶体颜色变深,呈黑色,俗称黑金刚石. 由于硼的存在,它的耐热性比黄金刚石高近100℃. 人造金刚石除粒度不及天然金刚石外,其它性质与天然金刚石相当.

  在人造金刚石的研究中,对石墨如何转变为金刚石的问题有多种解释,其中有触媒说、溶剂说,固相转变说等等. 我国学者芶清泉提出的金刚石与石墨间的结构对应与定向成键原理,在合成金刚石机理研究方面有重要的影响.


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