10宝石改善与人工合成 高温高压法.ppt

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1、第八章高温超高压法合成宝石与鉴别本章要点理解高温超高压法合成金刚石和翡翠的基本原理了解合成金刚石单晶体的设备及工艺过程掌握合成金刚石单晶体的鉴别复习思考题1.高温超高压法合成宝石的概念是什么？2.合成金刚石的方法有哪些？3.晶种触媒法合成宝石级金刚石的原理？4.热丝CVD法合成金刚石薄膜存在哪些缺陷？5.高温超高压法合成翡翠的依据是什么？6.合成翡翠分哪两步？7.如何鉴别合成翡翠和合成钻石?高温超高压法合成宝石是指利用高温超高压设备，使粉末样品在高温超高压条件下，产生相变、熔融进而结晶生长合成宝石的方法。实质：固—固结晶作用高温高压条件下形成的宝石矿物有金刚石、翡翠等高温超高压：指温度＞

2、500℃压力＞1.0×109Pa条件的获得：静压法（油压机），动力法（爆炸法或核爆炸）。高温超高压法的概念钻石的合成原理碳的同质多像变体钻石和石墨由相图可知：常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石处亚稳定态。破坏钻石的C-C键需要很高能量，因此，钻石在常温常压下不会自动转变为石墨。高温高压下钻石是稳定的，而石墨中的碳原子会重新排列形成钻石。人工生长金刚石的方法自1955年美国通用电气公司最先报导人工生长金刚石获成功后，南非DeBeers公司、日本住友电气公司、前苏联科学院西伯利亚分院以及中国科学院上海硅酸盐研究所、郑州磨料磨具磨削研究所和北京人工晶体研究所等的探索和实验，总结和发明了数

3、十种人工制造金刚石的方法，成功的方法中主要有三大类：1、静压法：静压触媒法；静压直接转变法；晶种触媒法。2、动力法：爆炸法；液中放电法；直接转变六方金刚石法3、亚稳定区域内生长法：气相沉淀法（CVD）；液相外延生长法；气液固相外延生长法；常压高温合成法。晶种触媒法合成金刚石的原理以石墨、金刚石粉或石墨-金刚石粉的混合物为碳源，在一定温度梯度下，将熔化于触媒金属（铁镍）中的碳输送到高压反应腔金刚石晶种上，碳从六方结构的石墨转变为立方结构金刚石，并以晶层形式沉积于晶种上，从而进行金刚石单晶体的生长。无触媒的条件：转变条件：1.26×1010Pa和2700℃，制造生产设备相当难；石墨向金刚石转

4、变的接触面小，转化率低。有触媒的条件：使转变温度和压力降低，如镍等。转变条件：4.0×109～1.0×1010pa和1200℃左右；熔融的触媒增大与石墨的接触面，出现大面积转变周期表第八族许多元素均可用作触媒，如镍（3d84S2）缺d电子，能吸引石墨层中相对应的2S22P2电子，使其集中到垂直方向而成键，故促使石墨层扭曲变成金刚石结构。从化学动力学角度，高温超高压条件下石墨向金刚石的转化过程可分为三个阶段：（1）熔触金属和石墨互相渗透、扩散和溶解，形成了类似石墨结构的富碳扩散层；（2）石墨逐渐向熔融金属内扩散，由于过渡金属的d电子与碳原子的p电子间的相互作用，使碳原子从SP2型转变为SP

5、3杂化型状态，进而形成金刚石结晶基元。金属溶液起媒介作用，把金刚石结晶基元输送至生长晶面附近；（3）聚集在生长晶面附近的金刚石结晶基元在晶面上叠合，进入晶格位，使金刚石晶体生长。金属触媒在合成金刚石时起着溶剂和催化剂的作用。它既能溶解碳又能激发石墨向金刚石转变，起到了催化作用。晶种触媒法合成金刚石的设备油压机：种类繁多，结构形式多样；是静态超高压设备的核心部分，作用是将液压机的驱动力变成对高压腔中被压物质的静态超高压。高压容器：宝石合成的场所，要求材质能承受压强＞4.9×109Pa，良好的密封、保压、隔热、绝缘性能，提供较大的合成腔体及均压区域。加热系统：稳定性好，精确控压控温提高合成效

6、果。控制系统：晶种触媒法合成金刚石的工艺1、腔体中部（热区）放置纯度达到光谱纯的石墨碳源，用镍铁（1：1）合金为触媒，金刚石晶种安放在下端冷区，使{100}（接种面）面对着金属触媒。2、温压条件：最高达5.5×109Pa左右，1900-1400℃。3、原料区石墨溶解于触媒中，开始向金刚石转变。4、在温度梯度（30～50℃）下，热区中的碳向晶种方向扩散，部分碳便沉积在晶体上，从而使晶体长大。上海硅酸盐研究所1985年采用晶种触媒法生长的合成金刚石大单晶可达0.2ct，直边长3.2mm。合成用反应腔结构采用石墨为碳源，籽晶固定在NaCl晶床内，{100}面为接种面。在籽晶和碳源之间放置厚3m

7、m，直径6mm的溶剂Ni-Fe合金金属柱。将反应腔放入单向加载四对斜滑面式立方体高温超高压装置中，然后置于1000吨压机内，长时间获得稳定压力。控制腔内温度，反应腔高温区约1450℃，温度差30～50℃，实际温度随加热功率和散热条件而变，实验用压力控制在6.0×109Pa左右，生长时间为22～52小时。碳源NaCl晶床Ni-Fe合金合成金刚石的后处理合成金刚石是通过触媒的作用，在高温超高压条件下由石墨转变而成，反应后产物除金刚石外，