超高压技术应用综述

摘要：高压科学与技术是一门相对年青、正处在加速发展阶段的新兴学科，宇宙中的绝大部分凝聚态物质均处在高压状态下，在超高压极端条件下，凝聚态物质中的原子/分子距离将缩短，相互作用显著增强，原子内层电子可参与成键，原有的结构会被破坏，导致结构相变、物性变化(改变电磁相互作用状态)及核子间的强相互作用（核反应），合成新材料，甚至出现新的物理现象。

关键词：超高压技术；材料合成；金刚石；立方氮化硼

1 引言

压力（强）对于大家并不陌生，就像温度一样是我们生活中常见的一个非常重要的热力学要素。我们在厨房里使用高压锅做饭，我们在高压气罐里储存液化石油气作为燃料，我们给自行车的轮胎里充入气体，……

一般情况液体或气体压力在0.1mpa～1.6mpa称为低压，1.6mpa～10mpa称为中压，10～100MPa称为高压，100MPa以上称为超高压.本文阐述的UHP技术的压力通常在100～1000MPa.或更高。而把液体或气体加压到100MPa以上的技术称为“超高压技术”（ultra-high pressure, 简称UHP）。[1]

2 综述

高压科学与技术是一门相对年青、正处在加速发展阶段的新兴学科，宇宙中的绝大部分凝聚态物质均处在高压状态下，在超高压极端条件下，凝聚态物质中的原子/分子距离将缩短，相互作用显著增强，原子内层电子可参与成键，原有的结构会被破坏，导致结构相变、物性变化(改变电磁相互作用状态)及核子间的强相互作用（核反应），合成新材料，甚至出现新的物理现象。因此，物质在超高压等极端条件下的行为研究被视为未来最有可能取得重大科学突破的研究领域，可广泛应用于国防、新能源、新材料、地学、行星科学、化学、凝聚态物理、生物医学等领域。其中应用于材料领域最经典的例子为人造金刚石、立氮化硼(cBN)等超硬材料的高温高压合成。

高压科学与技术领域按实验条件分为动高压与静高压。动态超高压技术是利用冲击波作动力而在试样中获得的瞬时高压，动态产生的高压数值，可高达几百万甚至几千万个大气压，同时伴随着骤然升温。利用外界机械加载方式，通过

缓慢逐渐施加负荷挤压所研究的物体，而使其内部产生很高的压力，称为静态高压。静高压技术又可分为压砧（小腔体）技术与大腔体（样品尺寸大于1mm3）静高压技术。

上世纪七、八十年代发展起来的金刚石压砧技术（Diamond anvil cell：DAC）与同步辐射光源等实验手段的结合，可原位观测凝聚态物质在极高压力条件下的结构及物性行为变化，并发现各种奇异的物理现象。大腔体静高压装置始于上世纪初Bridgman等发展的高压技术，主要包括两面体与多面体压腔装置。大腔体静高压装置可以合成出可实际应用并进行全面物性表征的体材料，是人造金刚石、立氮化硼等超硬材料工业生产的主要设备

人造金刚石

人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义[2]。

自1955 年G. E. 公司的Bundy 等人首次通过静高温高压法利用金属催化剂与石墨成功合成出金刚石以来[3], 金刚石在物理、化学和材料学领域引起了众多科学家的关注. 超硬材料能够如此迅速地发展到目前的水平主要应该归功于静态超高压设备的不断发展与完善和能起催化作用的一系列过渡金属元素及其合金的发现[4] . 目前在高温高压领域中金刚石的合成取得了巨大的进展。

我国在1963 年成功地合成出了人造金刚石,成为早期能够合成金刚石的少数国家之一. 目前, 我国的磨料级金刚石的生产已经形成为庞大的产业, 年产量70000000g, 居世界第一位[5]。然而我国虽然是金刚石生产大国, 但不是金刚石强

国.在我国众多的金刚石合成企业中, 多数企业对金刚石合成的原理了解甚少, 基本处于盲目生产的状态中, 部分厂家的合成工艺存在很多不合理的地方. 因此我国的金刚石目前在国际上还处于中低端水平, 高档的产品仍需大量进口[6]。

1 宝石级金刚石

宝石级金刚石即钻石广泛地用于高硬度材料的高精密机械加工,半导体激光器和高功率激光武器等的散热片,强酸、强碱、强辐射等极端恶劣条件下尤其是航空航天领域的窗口材料、光学材料等方面。

2 微晶金刚石

微晶金刚石有六面体、六-八面体和八面体的规则形状。粒度介于纳米金刚石和宝石级金刚石之间,其合成方法有爆炸冲击法、片状法、粉末法等。由爆炸冲击合成的金刚石单晶粒度一般都在40μm以下[7],具有较高的转化率,但不具有完整的结晶习面。Agarwala,B.K.等人[8]以镍为触媒溶剂,在6.2GPa和1400℃的合成条件下,合成的金刚石粒度尺寸在75μm～100μm范围内,石墨转化率达到70%。

3 纳米金刚石

纳米金刚石除了具备一般金刚石的性质外,还具有纳米材料的通性,如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米人造金刚石的主要合成方法有:冲击波法、爆轰法、化学气相沉积法、想静压法等方法。

立方氮化硼

立方结构的氮化硼,分子式为BN,其晶体结构(图1)类似金刚石,硬度略低于金

刚石，为HV72000～98000兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。

立方氮化硼多晶烧结体的主要制法有：①用立方氮化硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等)，在压力4000～8000兆帕、温度为1300～1900℃下烧结而成；②以立方氮化硼微粉和结合剂为一层，以硬质合金（片或粉）为一层，在上述压力、温度下把两者烧结在一起，制得带立方氮化硼。

硬质合金衬底的多晶烧结体，这种烧结体具有高的强度，同时保持立方氮化硼的原有理化性能，可制成直径达16毫米的圆片，切割加工成适当形状后，作为车刀和镗刀的刀头，适于切削淬火钢、铸铁和镍基合金等。