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摘要本文利用Fe基粉末触媒在国产六面顶压机上进行了合成金刚石单晶的实验。通过X-ray衍射检测出A石墨,B石墨,C石墨的衍射角,进而算出三种石墨的石墨化度;根据石墨化度的不同,研究了在高温高压(5.0--5.5 GPa, 1300 ~ 1500 oC)条件下, Fe基粉末触媒与三种石墨合成金刚石进行条件以及合成金刚石特点的对比。研究结果表明:用Fe基粉末触媒合成金刚石的速度快,在600秒内即可生长0.3-0.4mm。石墨化度高,合成晶体的条件偏高,石墨化度低,合成晶体的颜色偏黄。通过光学成像显微镜观测了三种晶体的形貌,颜色和粒度的大小。
中图分类号:TQ16文献标识码:A
0 引言
自1955年G.E公司首次通过静高温高压法用金属催化剂与石墨成功合成出金刚石以来,①金刚石工业化生产已有半个世纪的历史。尽管人们后来又相继发明了各种金刚石合成方法,如:动高压爆炸法、气相合成法等,但目前金刚石大规模工业化生产的合成方法仍然沿用G.E公司早期发明的静高温高压法。在采用静高温高压法合成金刚石的生产过程中,从起到催化作用的一系列过渡金属元素及其合金触媒的发现,②到熔融的金属或合金触媒的催化作用得到Vereshehagi等人③和Sung的证实,④都显示出触媒在金刚石合成当中的重要作用。
就合成高品级金刚石而言,粉末触媒比片状触媒方法具有明显的技术优势,而且通常情况下,粉末触媒方法合成金刚石的单产较高,⑤因此我国许多金刚石厂家已经从片状触媒合成金刚石转移为用粉末触媒合成金刚石。
石墨和金刚石是碳的两种存在形式。石墨种类繁多,石墨作为碳源,在合成金刚石的过程中表现出的行为也不尽相同,石墨化度是合成金刚石的一个重要参考指标。 本文使用三种石墨化度不同的石墨,在Fe基触媒的作用下,进行了高温高压实验,着重考察对比了三种石墨合成金刚石的特点,并且对金刚石的形貌进行了观测。
1 实验
实验是在国产SPD 6€?200型六面顶压机上进行的。采用的是粒度为200目以细的Fe基粉末触媒。石墨原料采用的是石墨化度不同的三种不同石墨A,B,C,粒度分别为(200---300,200---325,200---325)目以细,图1为三种石墨粉的X-ray衍射图。三种石墨特性如表1所示。
所谓的石墨化就是从无定形碳转化为石墨晶体的过程称为碳素材料的石墨化,石墨化度就是无定形碳与理想石墨晶体的接近程度高。
Fe基粉末触媒和三种石墨粉按一定比例均匀混合后预压成合成棒。预压后的合成棒组装在叶腊石合成块中,叶腊石合成块在组装前经过焙烧处理以除去吸附的水分。
高温高压合成实验工艺采用一次升温二次到压的工艺。合成实验的台阶压力为5.0GPa,合成终压为5.5GPa;温度为1300~1500 oC,合成时间为600秒。卸压后,取出样品。样品经过酸处理和提纯后,进行了光学显微镜观测。
2 结果与讨论
我们首先对合成后的棒料进行观测如图2,结果表明:金刚石晶体分布比较均匀,没有连晶和聚晶的出现,并且实验具有很好的重复性。合成的金刚石样品经过酸处理和系列提纯工艺后,对合成棒料同一位置的断面用扫描电镜进行观测,发现在同一合成条件下,石墨A合成的样品成核最少,石墨B到石墨C依次增多:
图3(a)表示5.2GPa,1440 oC条件下用A石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看到在此条件下合成的样品晶形完整,大多表现为六—八面体金刚石。粒度均匀,但成核量较少,颜色略黑,里面有较多的小气泡,粒度集中在0.4 mm左右。图3(b)表示5.1GPa,1420 oC条件下用B石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看到在此条件下合成的晶体晶形非常完整,表现为六—八面体,成核较多,颜色浅黄,并且透明度较好,里面的气泡较少,粒度很均匀,集中在0.3mm左右。图3(c)表示5.1GPa,1380 oC条件下用C石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看出在此条件下合成的晶体晶形比较完整,表现为六—八面体,成核较多,颜色比较黄,透明度一般,有的晶体里面有小气泡,粒度在0.3—0.4mm。
将以上结果可以看出石墨化度越高,合成金刚石所需条件也越高。石墨化度越低,合成晶体的颜色偏黄。此外在利用Fe基粉末触媒与三种石墨粉合成金刚石的实验中,金刚石生长速度比较快,在600秒内都即可生长在0.3-0.4mm,金刚石的六—八面体区间比较宽, 合成出的晶体通过光学显微镜发现晶体内部都有或多或少的气泡,这些都表明三种碳素对触媒的溶解度较强。
3 结论
我们利用Fe基粉末触媒与三种石墨粉在(5.0--5.5GPa, 1300 ~ 1500oC)的条件下合成出了三种晶形完整,粒度均匀的晶体,并且对石墨化度以及生长特性进行了研究, 结论如下:
石墨化度高,合成晶体的条件高,石墨化度低,合成晶体的条件相对低一些。石墨化度高,成核较少,石墨化度低,则成核量多,说明石墨化度越低,越有利于成核。石墨化度低的石墨合成出的金刚石颜色偏黄。我们利用Fe基粉末触媒合成时,金刚石生长速度快,在600秒内可以合成出0.3-0.4mm晶粒完整,透明度好的六—八面体金刚石单晶。
注释
①Bundy, F. P., hall, H. T., Strong,H. M. and Wentorf Jr., R. H.: Nature, 176: 51, 1955
②Bnvenkork H P. Boady F P, Hall H T, et al. Preparation of Diamond [J]. Nat- 1959.1&4(4693):1094.
③Vereahchagin L F. Kalashnikov Y A, Shaliuav. The Mechanism of Transformation of Carbon-containing Suhstanres to Dian ond under Static Conditions[J] . High Temperature-High Press- 1975,7:41.
④Sung C. Mechanism of the Solvent-assisted Graphite to Diamond Transition under High Pressure: Imphcations for the Selection of Catalysts[J]. Higl Temperature -High Pressure,1995/1996,27/28:523.
⑤周新东,陈启武,熊湘君.合成金刚石用触媒材料的研究.长沙:矿冶工程,2002.22(3):109-110.
中图分类号:TQ16文献标识码:A
0 引言
自1955年G.E公司首次通过静高温高压法用金属催化剂与石墨成功合成出金刚石以来,①金刚石工业化生产已有半个世纪的历史。尽管人们后来又相继发明了各种金刚石合成方法,如:动高压爆炸法、气相合成法等,但目前金刚石大规模工业化生产的合成方法仍然沿用G.E公司早期发明的静高温高压法。在采用静高温高压法合成金刚石的生产过程中,从起到催化作用的一系列过渡金属元素及其合金触媒的发现,②到熔融的金属或合金触媒的催化作用得到Vereshehagi等人③和Sung的证实,④都显示出触媒在金刚石合成当中的重要作用。
就合成高品级金刚石而言,粉末触媒比片状触媒方法具有明显的技术优势,而且通常情况下,粉末触媒方法合成金刚石的单产较高,⑤因此我国许多金刚石厂家已经从片状触媒合成金刚石转移为用粉末触媒合成金刚石。
石墨和金刚石是碳的两种存在形式。石墨种类繁多,石墨作为碳源,在合成金刚石的过程中表现出的行为也不尽相同,石墨化度是合成金刚石的一个重要参考指标。 本文使用三种石墨化度不同的石墨,在Fe基触媒的作用下,进行了高温高压实验,着重考察对比了三种石墨合成金刚石的特点,并且对金刚石的形貌进行了观测。
1 实验
实验是在国产SPD 6€?200型六面顶压机上进行的。采用的是粒度为200目以细的Fe基粉末触媒。石墨原料采用的是石墨化度不同的三种不同石墨A,B,C,粒度分别为(200---300,200---325,200---325)目以细,图1为三种石墨粉的X-ray衍射图。三种石墨特性如表1所示。
所谓的石墨化就是从无定形碳转化为石墨晶体的过程称为碳素材料的石墨化,石墨化度就是无定形碳与理想石墨晶体的接近程度高。
Fe基粉末触媒和三种石墨粉按一定比例均匀混合后预压成合成棒。预压后的合成棒组装在叶腊石合成块中,叶腊石合成块在组装前经过焙烧处理以除去吸附的水分。
高温高压合成实验工艺采用一次升温二次到压的工艺。合成实验的台阶压力为5.0GPa,合成终压为5.5GPa;温度为1300~1500 oC,合成时间为600秒。卸压后,取出样品。样品经过酸处理和提纯后,进行了光学显微镜观测。
2 结果与讨论
我们首先对合成后的棒料进行观测如图2,结果表明:金刚石晶体分布比较均匀,没有连晶和聚晶的出现,并且实验具有很好的重复性。合成的金刚石样品经过酸处理和系列提纯工艺后,对合成棒料同一位置的断面用扫描电镜进行观测,发现在同一合成条件下,石墨A合成的样品成核最少,石墨B到石墨C依次增多:
图3(a)表示5.2GPa,1440 oC条件下用A石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看到在此条件下合成的样品晶形完整,大多表现为六—八面体金刚石。粒度均匀,但成核量较少,颜色略黑,里面有较多的小气泡,粒度集中在0.4 mm左右。图3(b)表示5.1GPa,1420 oC条件下用B石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看到在此条件下合成的晶体晶形非常完整,表现为六—八面体,成核较多,颜色浅黄,并且透明度较好,里面的气泡较少,粒度很均匀,集中在0.3mm左右。图3(c)表示5.1GPa,1380 oC条件下用C石墨粉合成样品的光学显微照片。可以看出在此条件下合成的晶体晶形比较完整,表现为六—八面体,成核较多,颜色比较黄,透明度一般,有的晶体里面有小气泡,粒度在0.3—0.4mm。
将以上结果可以看出石墨化度越高,合成金刚石所需条件也越高。石墨化度越低,合成晶体的颜色偏黄。此外在利用Fe基粉末触媒与三种石墨粉合成金刚石的实验中,金刚石生长速度比较快,在600秒内都即可生长在0.3-0.4mm,金刚石的六—八面体区间比较宽, 合成出的晶体通过光学显微镜发现晶体内部都有或多或少的气泡,这些都表明三种碳素对触媒的溶解度较强。
3 结论
我们利用Fe基粉末触媒与三种石墨粉在(5.0--5.5GPa, 1300 ~ 1500oC)的条件下合成出了三种晶形完整,粒度均匀的晶体,并且对石墨化度以及生长特性进行了研究, 结论如下:
石墨化度高,合成晶体的条件高,石墨化度低,合成晶体的条件相对低一些。石墨化度高,成核较少,石墨化度低,则成核量多,说明石墨化度越低,越有利于成核。石墨化度低的石墨合成出的金刚石颜色偏黄。我们利用Fe基粉末触媒合成时,金刚石生长速度快,在600秒内可以合成出0.3-0.4mm晶粒完整,透明度好的六—八面体金刚石单晶。
注释
①Bundy, F. P., hall, H. T., Strong,H. M. and Wentorf Jr., R. H.: Nature, 176: 51, 1955
②Bnvenkork H P. Boady F P, Hall H T, et al. Preparation of Diamond [J]. Nat- 1959.1&4(4693):1094.
③Vereahchagin L F. Kalashnikov Y A, Shaliuav. The Mechanism of Transformation of Carbon-containing Suhstanres to Dian ond under Static Conditions[J] . High Temperature-High Press- 1975,7:41.
④Sung C. Mechanism of the Solvent-assisted Graphite to Diamond Transition under High Pressure: Imphcations for the Selection of Catalysts[J]. Higl Temperature -High Pressure,1995/1996,27/28:523.
⑤周新东,陈启武,熊湘君.合成金刚石用触媒材料的研究.长沙:矿冶工程,2002.22(3):109-110.