羰基镍粉触媒中工业级金刚石的高温高压合成.pdf

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1、施工管理羰基镍粉触媒中工业级金刚石的高温高压合成111213李勇金慧王应刘晓兵张杰李尚升（1.铜仁学院物理与电子工程学院，贵州，铜仁554300；2.吉林大学超硬材料国家重点实验室，吉林，长春130012；3.河南理工大学材料科学与工程学院，河南，焦作454000）摘要：温度在1250-1800℃范围内，压力为6.5GPa的合成条件下，采用膜生长法在羰基镍粉触媒中研究了工业级金刚石合成。实验结果表明：随着合成温度的提高，金刚石的质量有所提高，并且金刚石的颜色由黄色逐渐变为几近无色。此外，通过傅立叶红外光谱对所合成晶体内部氮杂质缺陷的存在形式进行了分析。

2、金刚石是集最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、耐腐蚀、抗辐射等诸多有意特性为一体的极限功能材料，其在工业、科技、国防、医疗等领域有着广泛的用途。图1金刚石合成腔体示意图1.导电钢圈2.铜片3.叶蜡石4.石墨加热氮是天然金刚石和人工合成金刚石中的重要杂质元素，氮体5.样品6,7和8.白云石缺陷严重影响着金刚石的诸多物理性质。金刚石晶格中，氮可Fig.1Sampleassemblydiagramfordiamondsynthesis1.Steelring以单个替代式原子出现（C心），也可以聚集态的形式替代碳原2.Coppersheet3.Pyr

3、ophyllite4.Graphiteheater5.Sample6,7子位置（A心和B心），这些点缺陷有可能产生各种各样的光学and8.Ceramiccylinderandcover[1]2结果与讨论和顺磁中心。根据金刚石内部氮浓度的不同，其可以分为四类：（1）Ia型，含聚集态替代式氮原子（氮原子对或四个氮原子实验过程中，采用一次到温到压合成工艺。考察了羰基镍[2,3]粉触媒中金刚石的合成，实验结果如表1所示。包围一个空穴）；（2）Ib型，含有单个替代式氮原子；（3）IIa型，不含氮原子；（4）IIb型，不含氮原子，但含有一定量的硼杂质。表1羰基镍粉

4、触媒中金刚石的合成实验绝大多数天然金刚石属于Ia型，其内部氮浓度在3000-5000Table1Synthesisexperimentsincarbonylnickel-Csystem[4,5][6]ppm之间，最高可达11000ppm。压力温度序号颜色时间(min)(GPa)(℃)目前，传统合成金刚石所用的合金触媒绝大多数为铁基触a6.51250黄绿15媒，一般而言，合成于金属-碳体系中的金刚石内部氮浓度约含b6.51400黄绿15为200-300ppm，并且只以C心氮的形式存在于金刚石中。但c6.51500浅黄15是，通过往合成体系中添加含氮化合物

5、（NaN3或Ba(N3)2）可以获d6.51800无色15[7-9]得1000-2400ppm的高氮浓度金刚石，而且，所合成的金刚石如图2示，在较低温度条件下，合成的金刚石晶体具有不规内部可以发现有聚集态的氮存在。新型触媒的开发有利于新则的晶形，晶体的颜色为黄绿色，晶体表面粗糙，因此透明性较型金刚石的合成，并且可以为天然金刚石形成机制提供实验数差（图a与b）。从图c中可以看出，随着温度的升高，优质金刚据支持。因此，我们使用羰基镍粉作为触媒来研究金刚石的石晶体的比例逐渐增多，晶体的颜色逐渐变浅。这些金刚石晶合成。体的尺寸约0.3-0.4毫米，内部具有极少

6、包裹体，表现出很好的1实验透明性，如图d所示。本实验在国产六面顶压机（SPD-6×1200）上进行。使用双铂铹B型热偶丝（Pt-Rh30%/Pt-Rh6%）对合成温度进行测量，实验合成压力通过某些特定物质的相变点和高温下石墨-金刚石平衡线进行标定。纯度为99.9%高纯石墨为合成金刚石的原材料，选用粒度为3.0-8.0微米左右的羰基镍粉作为触媒。然后，把触媒与石墨按照质量为1:1的比例机械地混合12h后取出，并在粉压成型机上压制成合成样品，实验合成块示意图如图1示。本实验的合成压力为6.5GPa、合成时间为15min、合成温度在1250℃至1800℃之间

7、。实验结束后，把经过高温高压条图2不同温度下所合成金刚石的光学照片件下处理的样品进行酸处理。最后，对典型的金刚石样品进行另外，我们注意到在高温条件下合成的部分优质晶体颜色拍照和傅立叶红外光谱测试。变浅甚至变为无色，如图3所示。这部分金刚石晶体主要表现2016年2月205施工管理-1为两种晶形。一种为标准的八面体晶形（图a），另外一种为一刚石中单个替代氮原子的逐渐消失，其1332cm特征峰并没有些三角形薄片状金刚石晶体（图b）。这两种金刚石晶体均分为随之消失，我们将其归因于金刚石中B心的出现，在天然金刚石-1-1-1浅黄色与无色。的红外光谱中也可以发现1

8、090cm，1175cm与1332cm三个吸收峰的存在。3结论在羰基镍粉触媒体系中利用膜生长法