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摘要：簡(jiǎn)要介紹了常見的人工合成金剛石技術(shù)，以及合成過程中的一些影響因素。
關(guān)鍵詞：金剛石 人工合成 合成工藝 影響因素
前言
金剛石是一種稀有、貴重的非金屬礦產(chǎn),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的作用。為滿足工業(yè)上的需求和緩解金剛石日益匱乏的現(xiàn)狀,人類已經(jīng)在合成金剛石方面作了許多的探索,并取得了許多有實(shí)用價(jià)值的階段性成果。金剛石中寶石級(jí)金剛石因其折射率大,在光下有火彩現(xiàn)象而用來制作精美的首飾。人造金剛石具有諸多優(yōu)異特性,已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、科技、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生等很多領(lǐng)域。例如:利用金剛石硬度大制作精細(xì)研磨材料、高硬切割工具、各類鉆頭、拉絲模,還被作為很多精密儀器的部件;由于導(dǎo)熱率高、電絕緣性好,可作為半導(dǎo)體裝置的散熱板。因此,人造金剛石被譽(yù)為“21世紀(jì)的戰(zhàn)略性材料”。因此對(duì)于人造金剛石的合成的研究具有非常重要的意義[1].
金剛石的人工合成工藝
金剛石、石墨及無定型碳都是由純碳元素組成，合成鉆石就是人為地模擬tr鉆石的形成條件，將其他晶體結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料在一定條件下轉(zhuǎn)化為具有SP3 共價(jià)鍵的金剛石型晶體結(jié)構(gòu)。從理論上講，各種形式的碳均可以轉(zhuǎn)化為金剛石，但研究表明，不同的碳素材料對(duì)生長(zhǎng)金剛石的數(shù)量、質(zhì)量和顆粒大小均有相當(dāng)大的影響，石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的自由能較低，因此石墨是合成鉆石的最主要原料之一。目前，人類已掌握了多種合成鉆石方法。人造金剛石的合成技術(shù)形成了靜態(tài)高溫高壓法、動(dòng)態(tài)超高壓高溫合成法、低壓氣相沉積法等[2]。
一般石墨在10GPa、3000℃左右可以轉(zhuǎn)變成金剛石，如果加有金屬觸媒則所需要的條件將大為降低，通常在壓力約為5．4GPa和溫度約為1400℃的條件下就能發(fā)生轉(zhuǎn)化。常用的方法為合成條件較低的添加觸媒催化的高溫高壓合成，即靜態(tài)高溫高壓法。這種方法中有生長(zhǎng)磨料級(jí)金同q石(粒徑小于1B)的膜生長(zhǎng)法和合成寶石級(jí)金剛石(粒徑大于lmm)的溫度梯度法。 (1)膜生長(zhǎng)法(FGM)
金剛石膜生長(zhǎng)法就是指在有金屬觸媒的參與下，石墨通過高溫高壓的作用透過金屬膜沉積在金剛石核上使之長(zhǎng)大[3]。其生長(zhǎng)機(jī)理是由于在一定溫度下石墨和金剛石所對(duì)應(yīng)的溶解度不同，溶解度大的石墨相將持續(xù)溶解，溶解度小的金剛石相將析出。觸媒溶劑中由于溶解了超過金剛石溶解度的碳素，相對(duì)于金剛石產(chǎn)生了過飽和度．從而導(dǎo)致碳素以金剛石晶體的形式析出。 (2)溫度梯度法(TGM)
為了生長(zhǎng)大尺寸的金剛石，1971年美國(guó)GE公司發(fā)明了商壓下的溫度梯度法合成寶石級(jí)金剛石[4]。在我國(guó), 圍繞這種技術(shù)也進(jìn)行了一系列的研[5-8]。究其原理是在高溫高壓條件下，高溫處碳源石墨轉(zhuǎn)化為金剛石并溶于媒中，在一定溫度梯度驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散至低溫處的晶種上開始生長(zhǎng)
