人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖
不同形态纳米金刚石生长过程及机理综述
第32卷第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀超㊀硬㊀材㊀料㊀工㊀程V o l.32 2020年10月S U P E R HA R D MA T E R I A LE N G I N E E R I N G O c t.2020ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ不同形态纳米金刚石生长过程及机理综述王光祖1,张相法2,位㊀星2,王永凯2,王大鹏2(1.郑州磨料磨具磨削研究所,郑州㊀450001;2.郑州中南杰特超硬材料有限公司,郑州㊀450001)摘㊀要:纳米金刚石在机械㊁化学和医学等领域都具有广泛的应用,对于不同形态纳米金刚石的生长过程及机理的研究对超硬材料行业的发展有着重要意义㊂文章概述了纳米片状金刚石膜的性能㊁纳米金刚石的特性,并重点介绍了纳米片状金刚石膜的生长机理㊁纳米金刚石向纳米洋葱状富勒烯结构转变的过程㊁碳纳米葱向孪晶金刚石转变的机理和金刚石微球的生长机理,为进一步研究及应用提供了参考㊂关键词:纳米金刚石;碳纳米葱;孪晶金刚石;生长机制中图分类号:T Q164㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1673-1433(2020)05-0039-05R e v i e wo nG r o w t hP r o c e s s a n dM e c h a n i s mo fN a n o-D i a m o n dw i t hD i f f e r e n tM o r p h o l o g i e s WA N G G u a n g z u1,Z H A N G X i a n g f a2,W E IX i n g2,WA N G Y o n g k a i2,WA N G D a p e n g2(1.Z h e n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t e f o rA b r a s i v e s a n dG r i n d i n g,Z h e n g z h o u,H e n a n450001,C h i n a;2.Z h e n g z h o uZ h o n g n a nJ e t eS u p e r a b r a s i v e sC o.,L t d,Z h e n g z h o u,H e n a n450001,C h i n a)A b s t r a c t:N a n od i a m o n dh a s b e e nw i d e l y u s e d i nm e c h a n i c a l,c h e m i c a l a n dm e d i c a l f i e l d s.T h e r e s e a r c h o n t h e g r o w t h p r o c e s s a n dm e c h a n i s mo f d i f f e r e n t f o r m s o f n a n o-d i a m o n d s i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o t h e d e v e l o p m e n t o f s u p e r h a r dm a t e r i a l i n d u s t r y.I n t h i s p a p e r,t h ep r o p e r t i e s o f n a n o f l a k e d i a m o n d f i l ma n d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f n a n od i a m o n dw e r e s u m-m a r i z e d.T h e p a p e r m a i n l y i n t r o d u c e dt h e g r o w t h m e c h a n i s m o fn a n o-s h e e td i a m o n df i l m,t h et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s f r o m n a n od i a m o n dt on a n o-o n i o n-l i k ef u l l e r e n es t r u c-t u r e,t h e t r a n s f o r m a t i o n m e c h a n i s mf r o m c a r b o nn a n o-o n i o nt ot w i nd i a m o n d,a n dt h eg r o w t hm e c h a n i s m o fd i a m o n d m i c r o s p h e r e,w h i c h p r o v i d e dar e f e r e n c ef o r f u r t h e rr e-s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n.K e y w o r d s:n a n od i a m o n d;c a r b o nn a n o-o n i o n;t w i nd i a m o n d;g r o w t hm e c h a n i s m㊀㊀从纳米尺度到块体材料,碳的存在形式有多种,已知的结构包括石墨㊁石墨烯㊁碳纳米管㊁富勒烯和金刚石等㊂对于纳米级金刚石,主要包括纳米片状金刚石膜㊁纳米金刚石颗粒㊁孪晶结构金刚石以及金刚石微球等几种形态㊂不同形态的纳米金刚石由于其独特的物理特性㊁化学稳定性以及纳米材料所具有的众多特性,使得其在机械㊁化学和医学等领域都具有广泛的应用,对于不同形态纳米金刚石的生长过程及机理研究对超硬材料行业的发展有着重要意义㊂1㊀纳米片状金刚石膜的生长机理纳米片状金刚石膜呈现片状的组织特征,用C V D方法制备基本可以分为以下三种类型:(1)纳米金刚石片团簇㊂衬底为(100)织构的金刚石膜,反应气体为C H4㊁N2和H2,反应温度高于1050ħ㊂生长机理被认为是金刚石表面的缺陷提供了形成金刚石纳米片的生长路径,而高温条件下不利收稿日期:2020-08-26作者简介:王光祖(1933-),男,教授,长期从事超硬材料及制品的研发工作,出版多部专著,发表上百篇学术论文㊂引文格式:王光祖,张相法,位星,等.不同形态纳米金刚石生长过程及机理综述[J].超硬材料工程,2020,32(5):39-43.反应基团在(111)面的生长,晶体的各向异性生长导致生成了片状纳米金刚石片[1-3];(2) 山脊状 纳米金刚石团簇㊂衬底为单晶硅,反应气体为C H 4㊁N 2和H 2,反应温度800ħ㊂金刚石表面山脊状结构特征被认为是纳米金刚石的生长和等离子体对纳米金刚石的刻蚀同时进行的结果[4-5];(3)纳米金刚石棒团簇㊂衬底为单晶硅,反应气体为C H 4和N 2,反应温度800ħ~950ħ㊂金刚石纳米棒的生长机制被认为是由纳米金刚石㊁碳纳米管㊁石墨纳米线/纳米葱组装而成[6-7]㊂以上三种金刚石膜在制备时反应气体中都含有N 2,但均没有在生长模型中指出N 2在生长过程中的作用,并且,上述研究认为纳米金刚石膜的整个生长过程的生长机制是不变的㊂鲁占灵等[8]认为纳米片状金刚石膜的反应气体只有C H 2和H 2时,反应基团应该和含N 2气体有所不同,另外,通过实验对比沉积时间分别为5m i n㊁10m i n ㊁60m i n 和120m i n 的S E M 照片,如图1所示,他们还认为纳米金刚石膜的生长过程为:生长初期,在单晶硅衬底上形成由纳米碳颗粒组成的球状碳团簇;随着沉积时间的增加,碳团簇逐渐增大,纳米碳颗粒定向排列或自组装,最终形成片状纳米金刚石膜㊂图1㊀不同沉积时间纳米金刚石膜的扫描电镜图(a )5m i n ,(b )10m i n ,(c )60m i n ,(d )120m i nF i g .1㊀S E M m i c r o g r a p h s o f n a n o -d i a m o n d f i l m s d e po s i t e d f o r :(a )5m i n ,(b )10m i n ,(c )60m i n ,(d )120m i n .T h e i n s e t s a r e a m p l i f i c a t i o n i m a ge s 2㊀纳米金刚石向纳米洋葱状富勒烯结构转变的过程炸药爆轰法常被用来大批量合成纳米金刚石,爆轰纳米金刚石拥有优异的力学特性㊁导热率高㊁绝缘性好㊁处于热力学不稳定状态,因此其具有特殊的化学㊁力㊁热㊁光㊁电性质而有着广阔的应用前景[9-10]㊂纳米金刚石颗粒因具有较高的比表面积和爆轰反应导致的高表面活性而使其多以团聚态存在,可采用热源或电子束辐照对其进行后处理改性,以得到不同的结构及性能㊂爆轰纳米金刚石的小尺寸效应使得其表面悬键量很大,表面能高,热力学不稳定性决定其极易向其他碳形式转化,在不同能量源条件下纳米金刚石可向纳米洋葱状富勒烯(O L F )转化㊂刘奕等[11]采用高分辨透射电镜(H R T E M )实时观察其转变过程,如图2所示,转化初期,大部分颗粒仍为金刚石,纳米金刚石外部逐渐松动石墨化及非晶化㊂随着时间推移,外部石墨层逐渐有序㊁连续和完整化,内部金刚石逐渐转变为石墨条纹状结构㊁芯部金刚石结构减少㊂样品内部从金刚石结构变为短程有序结构最后形成环状有序结构㊂最终纳米金刚石颗粒完全转化为有序同心圆O L F 结构㊂4超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年10月图2㊀纳米金刚石单颗粒演变过程F i g .2㊀E v o l u t i o no f s i n gl en a n o d i a m o n d p a r t i c l e s 3㊀碳纳米葱向孪晶金刚石转变的机理孪晶界比通常晶界更加有序,保持更低的自由能,研究表明,通过引入孪晶界的方式,材料的强度可以进一步地被增强[12-14]㊂H u a n g 等[15]利用含有高浓度堆垛层错的碳纳米葱作为前驱物可以在高温高压条件下直接获得纳米孪晶金刚石聚晶㊂由于高密的孪晶界的存在,纳米孪晶金刚石表现出了极端优异的机械性能和热稳定性㊂其硬度高达200G P a ,是天然金刚石的两倍㊂为了研究纳米孪晶结构的起源,唐虎等[16]通过实验证实碳纳米葱到金刚石的转变是一个马氏体转变,如图3(a )和图3(b )所示㊂从图中可以看到未转变的碳纳米葱的(002)面和已形成的金刚石(111)面存在平行的相位关系㊂这说明金刚石的(111)面是由碳纳米葱的(002)面直接转变得到的,这个过程和石墨向金刚石转变的过程类似㊂图3㊀(a ,b ):25G P a 和1800ħ合成样品的H R T E M (c ,d )为(b )红色方框的I F F T 和F F T 图;(e)碳纳米葱在高温高压条件下经过一个马氏体过程转变到纳米孪晶金刚石和六方金刚石的相变示意图F i g .3㊀(a ,b ):H R T E Mi m a g e o f t h e s a m p l e r e c o v e r e da t 25G P a a n d1800ħ;(c ,d )I F F Ti m a g e c o r r e s p o n d i n gt o t h e r e db o xm a r k e d i nb a n d t h eF F T p a t t e r n ;(e )t h e c h e m a t i c d i a gr a mo f t r a n s f o r m a t i o n f r o mc a r b o n o n i o n s t on a n o t w i n n e d c u b i c d i a m o n da n d l o n s d a l e i t e v i a am a r t e n s i t i c p r o c e s s a tH P H T14第32卷㊀第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王光祖等:不同形态纳米金刚石生长过程及机理综述㊀㊀不同于石墨的是,碳纳米葱的(002)面不是开放的,而是一个封闭连续的碳壳层㊂(002)面的滑移必将导致壳层内其它区域的C-C键的拉伸和压缩而导致应力的产生,而孪晶界的出现就是释放累计应力的结果㊂如图3(e)所示,无序排列的碳纳米葱(002)面趋向转变为{002}孪晶化的菱形石墨(A B C C B A),进而转变为孪晶金刚石㊂而洋葱碳中碳壳层的连续性限制了(002)面的滑移,导致应力积累,孪晶金刚石的形成是累积的应力释放所致㊂因此,{111}孪晶和堆垛层错的出现是碳纳米葱向金刚石发生马氏体转变的必然结果,是由碳纳米葱独特多层连续的结构所决定的㊂4㊀金刚石微球的生长机理金刚石微球的合成,常见的有利用微波等离子体C V D技术,在过饱和碳离子浓度条件下,通过改变沉积气压与温度,在单晶硅衬底上来制备㊂H A U B-N E R等[17]在对C V D金刚石膜早期的研究中发现,等离子能量密度㊁原子氢浓度㊁金刚石表面温度㊁气压等参数的增大,或碳离子过饱和度的降低,都会引起金刚石由纳米晶的球形结构逐渐向(100)六面体㊁(100/111)六八面体㊁(111)八面体的粗晶结构转变,这种转变过程是由石墨生长区逐渐向纳米晶的球形结构㊁再到具有良好结晶性的金刚石生长区的过渡㊂徐帅等[18]认为,金刚石形核后表面具有较高的表面能,晶体生长过程趋向球形表面以使表面能降到最低㊂在较高碳离子过饱和度和较低气压㊁温度范围内,金刚石具有极高的二次形核效率,金刚石晶体来不及长大即发生二次形核,并最终形成纳米-微米晶聚合的金刚石球形结构㊂由于二次形核限制了金刚石(110)取向的发展,生长速度仅次于(110)面的(100)面转变为高速生长面,因此,微球表面主要呈露(100)面,如图4所示㊂气压和温度升高后,原子氢对二次形核的抑制作用增强,开始出现金刚石的(110)取向发展,(100)面的快速生长使(100)面的显露区域减少,并且生长最慢的(111)面开始大量出现㊂由于(111)面使得孪晶层错大量出现,并抑制了较大晶体的竞争性生长和对球形结构的破坏,微球长大后的球形结构得以保留,并最终呈现(111)面为主要的粗糙表面特征㊂图4㊀金刚石微球生长模式示意图F i g.4㊀T h e s c h e m a t i c d i a g r a mo f d i a m o n dm i c r o s p h e r e g r o w t hm o d e5㊀结语随着研究的不断深入,人们对不同形态的纳米金刚石的特性有了更深的了解,纳米金刚石的应用领域也在不断地扩大,对不同形态纳米金刚石转变机理的研究也取得了一些进展,但是现阶段的研究还不足以支撑工业化生产特定形态的纳米金刚石㊂因此,仍需要研究人员不断探索,创新实验方法和检测技术,进一步加深对不同形态纳米金刚石转变机理的研究,为未来工业化生产提供充分的保障㊂参考文献:[1]㊀C H E N H G,C H A N G L.G r o w t ho f d i a m o n dn a n o p l a t e l e t so nn a n o c r y s t a l l i n ed i a m o n d s u b s t r a t e s[J].D i a m o n d&R e l a t e dM a t e r i a l s,2009,18(2-3):141-145.[2]㊀L U C A,C H A N G L.S y n t h e s i so fd i a m o n dh e x a g o n a ln a n o-p l a t e l e t sb y m i c r o w a v e p l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n[J].D i a m o n da n dR e l a t e d M a t e r i a l s,2004,13(11-12):2056-2062.[3]㊀C H E N H G,C h a n g L.C h a r a c t e r i z a t i o no f d i a m o n dn a n o p l a t e-l e t s[J].D i a m o n d&R e l a t e d M a t e r i a l s,2004,13(4-8):590-594.[4]㊀R a i n a S,K a n g W P,D a v i d s o n J L.F i e l d e m i s s i o n f r o mn a n o d i-a m o n d g r o w nw i t h'r i d g e't y p e g e o m e t r i c a l l y e n h a n c e df e a t u r e s[J].D i a m o n d&R e l a t e d M a t e r i a l s,2008,17(4-5):790-793.[5]㊀R a i n aS,K a n g W P,D a v i d s o n JL.N i t r o g e n i n c o r p o r a t e d n a n-o d i a m o n d f i l m w i t h'r i d g e's u r f a c e m o r p h o l o g y f o rd e t e c t i o no fb i o-a n a l y t e[J].D i a m o n d&R e l a t e d M a t e r i a l s,2009,18(2-3):574-577.[6]㊀A r e n a lR,B r u n oP,M i l l e rDJ,e t a l.D i a m o n dn a n o w i r e s a n dt h ei n s u l a t o r-m e t a lt r a n s i t i o ni n u l t r a n a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n df i l m s[J].P h y s i c a lR e v i e wB,2007,75(19):434-436.[7]㊀S h a n g N,P a p a k o n s t a n t i n o uP,W a n g P,e t a l.S e l f-A s s e m b l e dG r o w t h,M i c r o s t r u c t u r e,a n dF i e l d-E m i s s i o n H i g h-P e r f o r m a n c eo fU l t r a t h i n D i a m o n d N a n o r o d s[J].A c sN a n o,2009,3(4): 1032-1038.[8]㊀姚宁,崔娜娜,鲁占灵,等.纳米片状金刚石膜的生长过程[J].金刚石与磨料磨具工程,2011,6,16-19.24超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年10月[9]㊀陈权,恽寿榕.爆轰合成超细金刚石机理探讨[J ].爆炸与冲击,1996(4):326-332.[10]㊀D o l m a t o v V Y .D e t o n a t i o n s y n t h e s i s u l t r a d i s pe r s e d d i a -m o n d s :p r o p e r t i e sa n da p pl i c a t i o n s [J ].R u s s i a n C h e m i c a l R e v i e w s ,2001,70(7):687-708.[11]㊀刘奕,彭雁,等.爆轰纳米金刚石的结构演变表征及摩擦性能研究[C ].第十九届中国超硬材料技术发展论坛论集,201511:81-87.[12]㊀WA N GJ ,S a n s o zF ,D E N G C ,e t a l .S t r o n g Ha l l –P e t c h T y peB e h a v i o r i n t h eE l a s t i c S t r a i nL i m i t o fN a n o t w i n n e dG o l d N a n o w i r e s [J ].N a n oL e t t e r s ,2015,15(6):3865-3870.[13]㊀L IB ,S U N H ,C H E N C .E x t r e m e M e c h a n i c so fP r o b i n g th e U l t i m a t eS t r e n g t ho f N a n o t w i n n e d D i a m o n d [J ].P h y s .r e v .l e t t ,2016,117(11):1-5.[14]㊀WA N GJ ,Z E N GZ ,W e i n b e r ge rCR ,e t a l .I ns i t ua t o m i c -s c a l e o b s e r v a t i o n of t w i n n i ng -d o m i n a t e d d e f o r m a t i o n i n n a n o s c a l e b o d y -c e n t r e dc u b i c t u n gs t e n [J ].N a t u r e M a t e r i a l s ,2015,14(6):594-600.[15]㊀HU A N G Q ,Y U D ,X UB ,e t a l .N a n o t w i n n e dd i a m o n dw i t hu n p r e c e d e n t e dh a r d n e s sa n ds t a b i l i t y [J ].N a t u r e ,2014,510(7504):250-253.[16]㊀唐虎.纳米聚晶金刚石合成和碳纳米葱高温高压相变机理的研究[D ].燕山大学,2018.5.[17]㊀H a u b n e rR ,L u xB.D e po s i t i o no f b a l l a sd i a m o n da n dn a n o -c r y s t a l l i n ed i a m o n d [J ].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R e f r a c t o r y M e t a l s&H a r d M a t e r i a l s ,2002,20(2):93-100.[18]㊀徐帅,李晓普,丁玉龙,等.化学气相沉积金刚石微球的生长机制研究[J ].金刚石与磨料磨具工程,2018,38(5):5-9.ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ中国超硬材料类商品行业出口现状与竞争格局分析2019年我国超硬类材料主要产品累计出口金额为12.49亿美元㊂在超硬材料类商品中,共有27个省市在经营出口业务,但出口额排第一名的省市非常集中,主要有河南㊁广东㊁江苏㊁上海四个省市㊂四个省市排名第一的产品分别是:河南,金刚石与加工金刚石;广东,砂轮㊁石磨石碾㊁车刀㊁未列名刀具;江苏,金刚石锯片㊁未列名锯片㊁钻头㊁铣刀;上海,凿岩钻探工具和镗铰刀㊂金刚石出口河南一省独大2019年全国共有19个省市经营金刚石出口业务,出口总量为31.8亿克拉,总额为13966万美元㊂前4名占出口量的85%,占出口额的88%;其他15个省市分别占15%㊁12%;河南一省独大,占总量的51%㊁占总额的58%㊂平均出口单价是0.044$/c t ;单价最高的是上海,0.086$/c t ;最低的是湖南0.027$/c t㊂广东金刚石砂轮出口业务领先2019年共有27个省市经营金刚石砂轮出口业务㊂出口总量10119吨,总额6597万美元㊂前6名占出口量的85%,占出口额的87%;其他21个省市分别占15%㊁13%;广东一省独大,占总量的57%,占总额的50%㊂平均出口单价是6.5$/k g ;最高的是上海,22.5$/k g ;最低的是浙江4.3$/k g ;最高最低单价差5倍多,具体产品结构差异较大㊂江苏锯片出口业务占优2019年共有23个省市经营金刚石锯片出口业务㊂出口总量26649吨,总额23767万美元㊂前5名占出口量的82%,占出口额的80%;其他18个省市分别占18%㊁20%;江苏省最大,占总量的40%,占总额的34%㊂平均出口单价是8.9$/k g ;最高的是山东,14.1$/k g ;最低的是浙江6.7$/k g ;最高最低单价差2倍多,具体产品结构有差异㊂㊀(文章来源:前瞻产业研究院)34第32卷㊀第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王光祖等:不同形态纳米金刚石生长过程及机理综述。
王德茂30余年做研究20多年搞行业
王德茂30余年做研究20多年搞行业做研究，他有踏踏实实的钻研精神，一做就是30余年。
1960年北京大学毕业留校任教，1970年被调入机械部通用机械研究所工作，1981年被调入机械部北京印刷机械研究所，每个阶段都取得了突出的成绩。
搞行业，他有事必躬亲的工作态度，自1990年春进入中国印刷及设备器材工业协会，20多年来从不懈怠，直到2022年秋才从一线退下。
他与印刷行业结下了深深的不解之缘，为行业发展做了大量卓有成效的事情。
他就是王德茂先生，在业内，大家都习惯亲切地称他“王会长”。
2022年初，赶在春节之前我们拜访了王会长。
第一个10年：天体物理教学与研究或许很多人还不知道，其实王德茂先生毕业于北京大学物理专业。
1960年毕业留校任教，被分配到地球物理系天体物理专业（又称“天文专业”）从事天体物理的教学与研究，主讲“磁-等离子体物理、电磁波在磁-等离子体中的传播”和“无线电天文学”（又称“射电天文学”）。
提起这段经历，他依然清晰地为我们讲述“电磁波在等离子体中的传播”是天体物理的基础课。
他说，“这是因为星际空间的物质（稀薄气体）都是处于磁场中的等离子体，而太阳及星体辐射的光波和无线电波的传播都必须经过这个空间，在物理学上光波和无线电波都是电磁波。
”仔细聆听王会长所讲述的这些内容，仿佛他又回到了20世纪60年代任教的那段时光，他依然是那位学识渊博的教师，而我们则是懵懵懂懂听其授课的学生。
教授天体物理基础课，研究无线电天文学，这就是他工作的第一个10年。
第二个10年：研究人工合成金刚石自1971年开始，王德茂先生在位于合肥的机械部通用机械研究所工作了10年。
他说：“这段时间的工作非常有意思，研究人工合成金刚石也与物理有关，金刚石的生成实际是碳元素在高压、高温条件下发生的相变，即晶体结构发生变化，是一种物理过程。
所谓‘人工合成’，就是人为地为碳（石墨）创造并提供能发生这种物理相变的条件，并在一定时间内保持这些条件，以满足由石墨到金刚石相变过程的需要。
关于人造金刚石的制备与合成
关于人造金刚石的制备与合成1目的与意义钻石,就是珠宝中的贵族,它通明剔透,散发着清冷高贵的光辉,颇有“出淤泥而不染的气质。
钻石亦被称为金刚石,就是自然界最坚硬无比的物质,人造金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝,在工业中也大有可为。
它硬度高、耐磨性好,可广泛用于切削、磨削、钻探;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;它有优良的透光性与耐腐蚀性,在电子工业中也得到广泛应用。
1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等6、金属结合剂磨具、电镀制品。
钻探工具或研磨等7、剧切、钻探及修正工具等[1]2设计基本原理石墨在一定的温度与压强下就是会发生结晶变态从而变成金刚石,且石墨的温度与压强要在金刚石的热稳定性区域内,其动力学要满足一定的关系。
3设计内容(方案)3、1原材料的选择金刚石就是石墨结晶变态产生的,其石墨就是主要原料,转变过程的反应压力与温度必须不低于190 000kg/cm2 与∽3900℃[2],这一推测的正确性已为实验所证实。
不过目前要得到这样高的压力与温度的设备就是非常困难的。
所以需要加入触媒材料来降低石墨的活化能。
3、2制备与合成方法3、2、1压力控制人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压,超压到90 MPa左右,再保压几分钟后卸压,完成一个工序,时问为几分钟到十几分钟。
可根据工艺要求任意设为多段,由现场人机界面随时输入修改。
加压闭环控制系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较,经过高级控制算法处理后,控制液压泵组与液压阀组的工作状态,使系统的压力工作状态跟踪给定压力工艺曲线。
被控对象油路压力就是由电动机带动增压器增压的,要求系统在几分钟内将油路压力从lO Pa 左右分几段提升到90 MPa左右,并且超调不能大于0.3 MPa。
纳米金刚石应用的潜在发展前g
纳米金刚石应用的潜在发展前景郑州磨料磨具磨削研究所王光祖20世纪80年代诞生了一种高新科技产品——纳米材料，它那神奇的特性和极其广泛应用前景非常诱人。
纳米技术使人类对大自然的认识进入了一个新的层次，从此，一批新学科将诞生，更多新材料将被创造，许多新概念和新理论将相继建立，物质产品的生产方式将迅速改变，社会生活将产生巨大变革。
国际科技权威预测，21世纪是纳米世纪，纳米技术的发展其深远意义堪与18世纪的工业革命相媲美。
因此，现在每个大国都在强调纳米技术将决定国家在21世纪的命运。
随着微米时代的结束，纳米时代开始将黎明第一束曙光投向世界，未来世界文明的中心将会出现在什么地方呢？有一点可以肯定的是，在纳米时代，谁掌握了最先进的纳米技术，谁能够最先从纳米技术中获益，谁就有可能成为新一代的世界文明中心。
纳米时代的到来，最先为人们所感受到的一定是在纳米科技基础上建立起来的纳米经济。
纳米经济的形成过程，首先是纳米产品从纳米科技的基础研究中脱颖而出，纳米金刚石的出现就是其中一例，这种产品的逐渐成熟及影响的逐步扩展，使得纳米产业在整个国民经济中的地位日益凸现，比重逐渐提高。
历史的经验告诉我们，曾经重视微米科技的国家，今天都已成为发达国家，而纳米科技则为人们提供了新的机遇。
今天重视纳米材料的国家将在未来高科技竞争中取得领先的地位。
需要指出的是，现代科技往往会在交叉点上有所创新，正因为纳米科技是多学科交叉融合，所以才充满了原始的创新机会，科学家也愿意在这个领域耕耘，获得原始创新的成果。
在纳米尺度上多学科的交叉融合，是纳米科技巨大的生命力，迅速形成了具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。
纳米材料是纳米科技的基础，由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的四大效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应，从而具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。
纳米金刚石是纳米材料家族中的一个重要成员，它不仅保留着金刚石的综合优异特性，而且还有对人体无害的良好的生物兼容性；对雷达波、红外紫外光有巨大的透射率和吸收率，优异的冷阴极场发射效应，表面有许多羧基、烃基、羰基等功能团，很容易同金属、橡胶、塑料聚合物、织物表面紧密结合等等，从而为纳米金刚石的应用提供技术基础和发展空间，本文引用以下具体事例来阐明。
我国人造金刚石晶体生长机理研究概述
我国人造金刚石晶体生长机理研究概述王光祖【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2000(000)002【摘要】@@人造金刚石晶体生长机理是大家十分关注的理论问题。
因为，弄清石墨是怎样变金刚石的，金刚石又是怎样长大的，以及过渡族金属或其合金在此过程中起到什么作用这些基本问题，对提高人造金刚石晶体生长技术水平是非常有益的。
rn30多年来，我国从事人造金刚石晶体生长研究的科研、生产工作者，根据各自获得的实验结果和观察到的现象提出了多种模型，并借助这些模型来阐明人造金刚石晶体生长机理，概括起来有如下一些基本内容。
rn文献[1]对固相直接转变机理提出了一个微观模型--高压高温下ABC型石墨的一种振动模型。
从图1可以看出，原来处在平面六角网络结点上的原子，有一半产生向上的垂直位移，另一半相邻的原子则产生向下垂直位移，使平面六角网络有规律地扭曲起来，变成扭曲的六角网络。
同时由于上下靠近的各对原子的吸引，要使原来自由的2Pz电子分别向这些原子对rn的联线(即图中的虚线)上集中，最后在层与层之间的这些联线上建立起垂直于层平面方向的供价健。
结果，原来在六角网络上形成金属键的自由电子都转移到垂直方向上去形成共价健，联结上下靠近的一对原子，在扭曲的六角网格上只剩下由共价健来联结，使每个碳原子都以共价健与四个相邻的碳原子联结。
这样，在高压高温作用下，石墨就直接转变成了金刚石。
【总页数】3页(P48-50)【作者】王光祖【作者单位】郑州磨料磨具磨削研究所 450007【正文语种】中文【中图分类】TG7【相关文献】1.发展金刚石钻进是推动我国人造金刚石产业化的强大动力--纪念我国第一颗人造金刚石诞生40周年2.静压法合成人造金刚石晶体生长机理研究进展3.国外人造金刚石晶体生长机制的研究4.压力、温度的控制对人造金刚石晶体生长的影响5.人造金刚石晶体生长的微观机制因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米金刚石的发展及其应用前景
１９ 年 在Ｚ ｉ ｍｉ建立 了ＡＬ Ｔ公 司 ， 公司 拥有体 ９１ ｈｔ ｒ ｏ Ｉ 该
积 为 １ ０ 的爆 炸罐 ， 当时最 大 的纳米 金刚 石制 造 ０ ｍ。 是 商。
１６ ９ １年 ， 国率 先用 爆炸 法合 成 出 “ ａｂ ｎ ｄ ” 美 Ｃ ｒｏ ａｏ 型聚 晶金 刚石 微 粉 ， 随后 Ｄｕ ｏ ｔ 司 取得 了一 系 列 Ｐｎ公
ｔｃ ｒ ｓ ｃ ｉ ｌ ｉｓ ｅ ｐｅ ｔｖｅｙ． Ｔｈ ｙ ｈａ ｅ ｏ ｅ ｖ ｄ ｕｂｌ ｔ ａｔ ｏ ｄ ａ ｅ ｒ ｉｓ ｆ ｉ ｍｏｎ ａ ｎｏ ｍａ ｅ ｉ ｌ ． Ｔｈｉ ｐａ ｅ ｄ ｎｄ ｎａ ＝ ｔ ｒａ ｓ ｓ ｐｒ
ｇ ｖ ｓ ａ ｂ ｉｆｓ ｍｍ ａ ｙ ｏ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｏ ｒ ｅ ｒ ｐ ｒ ｔ ｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ｅ ｒｅ ｕ ｒ ｆｉ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｕ ｓ ，ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｆ ｌ ｔ ｃ ｏ ｐ ｌ ｔ ｉ ｄ ｃ ｏ ｅ ａ ｄ ｐ ｔ ｎ ｉｌｐ ｏ ｐ ｃ ． ｎ ｏｅ ｔ ｒｓ ｅｔ ａ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ａ ｏ ｄ ａ ｎ ｙ ｒ ｓ ｎ ｎ — ｉ ｍｏ ｄ；ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔｃ ｕ ｓ ；ｒ ｖ ｅ ；ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｐ ｃ ｅ ｅ ｏ ｍ ｎ ｏ ｒ ｅ ｅ ｉｗ ｐ ｌ ｔ ｒｓ ｅｔ ｃ ｏ
合成 的兴 趣 。
专利 。 们所使 用 的方 法 ， 他 每次 用炸 药 ５吨 ， 每公 斤 炸
药 生产 的金 刚石 约为 １ Ｏ克拉 。
２ Ｏ世纪 ６ ０年代 ， 联 用 负氧 平衡 炸 药进 行 爆 轰 苏
合成金 刚石 ， 被普 遍认 为是 这个 领域 的开 拓先 驱 。此 后 ， Ｖ． ａ ｉ ｎ ｏ在 乌 克 兰 继 续 他 的 研 究 ， 于 Ｖ． Ｄ ｎｌ ｋ ｅ 并
人造金刚石合成技术开拓创新的50年
人造金刚石合成技术开拓创新的50年
王光祖
【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》
【年(卷),期】2004(000)006
【摘要】人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕.50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃.过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年.人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献.
【总页数】5页(P73-77)
【作者】王光祖
【作者单位】郑州磨料磨具磨削研究所,郑州,450013
【正文语种】中文
【中图分类】TQ163
【相关文献】
1.人造大单晶金刚石的合成技术进展及主要应用 [J], 王裕昌
2.人造大单晶金刚石合成技术及应用研究现状 [J], 王东胜;王志勇;董耀华
3.人造金刚石合成新型加热技术 [J], 刘林方;贾传宝
4.人造金刚石合成工艺中的若干技术问题 [J], 魏建成;王世峰
5.粉末法合成人造金刚石技术的研究与应用 [J], 周连科
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人造金刚石历史回顾
人造金刚石历史回顾1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石。
我国1960年10月作为国家重点科研项目下达了人造金刚石的研制任务，该任务由原第一机械工业部磨料磨具磨削研究所、通用机械研究所和原地质科学研究院共同承担。
经过通力合作，1963年12月6日，在国产300吨61型两面顶超高装置上，以高纯石墨粉为原料，以镍铬合金为触媒研制成功了我国第一颗人造金刚石。
1964年4月由磨料磨具磨削研究所与铸造锻压研究所开始设计6×6MNDS－023A型铰链式六面顶压机。
1965年4月，原第一机械工业部下达国家科委〝关于人造金刚石中间试验任务书〞，1965年8月六面顶压机制成并在磨料磨具磨削研究所完成安装，1966年7月3日正式进行合成工艺试验，并投入批量生产，当年生产人造金刚石一万克拉，同时由磨料磨具磨削研究所参与选址、设计、筹建我国第一个人造金刚石及其制品专业化生产厂——第六砂轮厂，第六砂轮厂于1969年建成投产。
至此，我国逐步形成了6×6兆牛顿〔MN〕六面顶设备为特色的人造金刚石工业体系。
30多年来，我国人造金刚石的产量逐年增加，特别是进入20世纪90年代后，呈直线上升趋势，发展势头强劲。
人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。
有的甚至是非其莫属，如用量最大的石材工业离开人造金刚石及其工具就极难发展。
可以说人造金刚石的推广应用开创新推动了石材工业的蓬勃发展。
金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度几十倍甚至上百倍的提高，一些过去难加工甚至无法加工的材料能顺利、高精度地加工。
人造金刚石及制品基本能满足国内各个工业部门的需求，为整个国民经济发展作出了不可磨灭的巨大贡献。
不断发展的金刚石合成与应用技术2
不断发展的金刚石合成与应用技术在人类的历史长河中，金刚石一直是一种稀有的宝石，象征高贵、美丽、圣洁、，被皇室、宫廷和贵族作为瑰宝炫耀和珍藏。
人们构筑了神奇美丽的故事，从满了对他的画像和无比的爱慕。
世界上没有完人，散在物质世界，上帝却赐给人类一个美好的梦幻组合，-----金刚石。
因此，吸引了众多科学工作者的极大兴趣，并对其进行了不懈的探索。
后来，在实验室里终于发现，它是碳原子构成的，由此揭开了他神秘的面纱，打开了人们人工制造的闸门，经过近百年的艰苦探索，1954年美国通用电气公司宣告了在高温高压的条件下第一粒人造金刚石的研制成功，开始了工业生产金刚石的新纪元。
随着金刚石物性研究的深入，发现金刚石不仅硬度远超过其他所有的物质，更有许多其他的“第一”，包括抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力~~~~~~等等。
除此之外，金刚石的透光性、低热胀率、负阴电性，乃至与人体相溶度也是材料之最，因此可以认为，金刚石是上帝给人类的恩赐，它不仅是美丽宝石之王，更是材料之王，没有任何材料具有金刚石这么多的优越性质，其- 1 -中有许多极端性质。
例如，金刚石的硬度是碳化硅的3倍，耐磨性是氧化铝的5倍，抗压强度是碳化钨的20倍，传声速率是刚的3倍，传热率是银的4倍，电洞移动速率是硅的2.5倍。
金刚石还具有极高的电阻率、折射率、抗辐射性，极低的热膨胀系数、磨擦系数、比热值等，金刚石发挥个别特性已能产生其他材料所不能及的效果。
例如，以金刚石作为硅晶的散热片式，其超高的热传导率可使热量尽快排出；其高透光性也使热能辐射散出；其低的比热值可减少热能的积聚。
金刚石作为飞弹的雷达罩时，不仅雷达波进出自如，使映像不致失真，其耐磨性更可避免比子弹飞行还快的灰尘或雨点的冲蚀。
他的高热振性也可保护雷达罩在骤冷骤热时不会破裂等。
由于有这么多的优点，因此，工业金刚石具有广泛的用途，如下页图所示：- 2 -- 3 -金刚石的这些传奇应用并不是天方夜谭，各种金刚石产品已经应用于广泛的领域，更多的金刚石应用也真在开发中，毫无疑问，金刚石将成为工业、商业、军事、教育、娱乐及医学领域的宠儿。
我国第一颗人造金刚石的诞生
我国第一颗人造金刚石的诞生
王光祖
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2008(020)004
【摘要】1963年12月6日我国第一颗人造金刚石的诞生,是笫一机械工业部通用机械研究所、磨料磨具磨削研究所和地质部地质科学研究院联合攻关所取得的一项重大科技成果.文章从对人类探索金刚石晶体生成奥秘的历史,到我国人造金刚石研究课题的下达与任务的分工,及其研究成果由试验室走向工业生产的全过程做了阐述.指出我国笫一颗人造金刚石的研究成功是集体智慧的结晶,是社会主义大协作的体现,这个铁定的史实不是谁想改变就能改变的.
【总页数】3页(P45-47)
【作者】王光祖
【作者单位】郑州磨料磨具磨削研究所,河南,郑州,450007
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
【相关文献】
1.发展金刚石钻进是推动我国人造金刚石产业化的强大动力--纪念我国第一颗人造金刚石诞生40周年 [J], 陶知耻
2.任务带学科学科促任务抓机遇迎挑战创新意--纪念我国人造金刚石诞生50周年[J], 沈主同
3.我国第一颗人造金刚石的诞生 [J], 胡恩良;陶知耻
4.我国金刚石工具工业发展的特点、措施与前景——纪念我国人造金刚石诞生40周年 [J], 姜荣超
5.我国第一颗人造地球卫星的命名和音乐的诞生 [J], 孟红
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中国人造金刚石的发展及其关键技术的进步
中国人造金刚石的发展及其关键技术的进步摘要：人造金刚石作为一种高硬度、高热导率的材料，具有广泛的应用前景，涵盖了工业、科研、医疗等多个领域。
我国在多年前就成功合成金刚石，且在长期实践积累中获得大量数据。
进入2000年之后，在很长一段时间内，中国人造金刚石产量稳居世界前列。
在此详细阐述我国人造金刚石发展历程以及关键技术方面取得的进步，总结中国在人造金刚石领域取得的重要突破。
关键词：人造金刚石；发展历史；关键技术引言：金刚石作为一种重要的超硬材料，其在切削、磨损、导热等方面具有独特的性能优势，广泛应用于工业制造、电子器件、医疗器械等领域。
然而，天然金刚石资源有限且开采困难，因此人造金刚石的研究和应用逐渐引起了人们的关注。
中国作为全球人造金刚石领域的重要参与者，通过多年的努力，在金刚石的合成技术、晶体生长技术、加工工艺等方面取得了显著进展。
本文将重点探讨中国人造金刚石发展的历程，并分析关键技术的进步。
1人造金刚石的内涵人造金刚石是指通过人工方法在实验室或工业生产中合成的金刚石材料，其在外观和性能方面与金刚石类似，但很多性能优于天然金刚石。
例如，其具备超硬性能，在切削、磨损等领域得到重点关注；高热导率，具备更好导热性能，可以在热管理中发挥效用；可控性和定制性，相较天然金刚石，其可以通过在合成中控制晶体结构进而基于需求完成定制[1]。
2中国人造金刚石发展历程2.1产量快速增长阶段在1963年，中国合成国内第一颗金刚石之后，人造金刚石工业化生产拉开序幕。
在接下来50年时间内，中国人造金刚石侧重产量发展。
在1971年产量突破千万克拉、在2013年产量突破100亿克拉。
随着技术更新和产业规模扩大，在2000年—2013年之间，中国人造金刚石产量位于世界第一位，且呈现持续攀升态势。
虽然最初由于技术水平限制、工艺限制，产量相对较低，但随着国内科研机构和企业持续投入和合作研发，人造金刚石的制备技术逐渐得到提升和突破，例如20世纪80年代后期，我国人造金刚石对外出口，年出口国家地区数量不断增加，出口数量日益提升，这可以表明中国在人造金刚石领域取得显著成就。
我国人造金刚石用石墨材料的研究
石工业专用石墨材料的种类 、 制备工艺 及其相关性能 。 同时 , 概要介绍掺杂石墨和采用其他种类石墨 材料合成金刚石 的研究进展 , 并对今后人造金刚石用石 墨材料的发展进行了展望 。 关键词
人造金刚石 石墨材料 高温 高压
Study on Graphite Used in Synthetic Diamond Industry of China
石墨片的体积密度和 抗压强度显得尤为重要。高密度、 高纯度、 高石墨化度的 性能 指标 , 是该 种石 墨片的 首选 [ 10] 。 20 世纪 80 年代研究者曾采用核 工业用石 墨坯料 来掏棒切 片 , 合成效 果较 好 , 其制备是将炭素粉末进行配料 , 混合后挤压成型 , 或轧片 , 磨 粉后模 压成大块 坯料 , 经过焙烧 , 浸渍甚 至是多次浸 焙后 , 再石 墨化 , 加工成片。 采用粉末组装方 式合成粗 粒度高 强级金刚 石用石 墨粉 , 须 进行高度纯化 , 排除杂质 , 控制 好粒度组成。一般采用品位高的 优质矿产石墨 , 经选 检、 提纯、 粉 碎 , 在专 用炉 内加 热到 2000 以上 , 分别通 入一定量 的氮气洗涤 , 再通 入氯气、 二氯氟甲 烷等 进行提纯。其杂质含量越低越 好 , 能做到 2 10 - 5 以下更佳 [ 16] 。 合成细粒度中高 级金刚石 的石墨 粉 , 也 可采用 上述方 法制 作纯净石墨粉。而在六面顶压机上合成 细粒度磨料级金刚石的 石墨粉 , 可直接采用人造 石墨进 行粉碎、 过筛。 但其杂 质含量、 石墨化程度、 粒度组成也应控制在一定的参数范围内。
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材料导报
2007 年 2 月第 21 卷第 2 期
装方式 , 可分为片状 组装和粉末 组装 ; 按照压机 的类型 , 又可分 为两面顶合成和六面顶合成。人造金刚石合成专用石墨可分为 两类共 7 种 [ 15, 16] 。第一类是片状 组装 , 有 4 个 品种 : 粉压 片 ; 高纯石墨棒 切片 ; 高纯高密 度坯料切 片 ; 高电阻率 碳片。 第二类是粉末组装 , 有 3 个品种 : 合成粗粒高强度用纯净石墨 粉; 合成细粒度高强料用石墨粉 ; 合成 RV D 料用石墨粉。 随着合成压机的大型化 , 合成腔体随之不断扩大 , 腔体内的
人造金刚石合成技术的发展
人造金刚石合成技术的发展最早的人造金刚石合成方法是高温高压法，该方法是在高温（1500-2000℃）和高压（5-7GPa）条件下，在碳源和金属催化剂的作用下，将钻石结构的金刚石合成。
这种方法具有很高的能耗和成本，并且合成的金刚石质量一般较低，很少应用于实际生产中。
然而，随着对金刚石合成机理的深入研究，科学家们发现了一种新的合成方法，即化学气相沉积法。
这种方法通过在一定的温度和气体环境条件下，将气体中的碳原子沉积在合适的底片上，形成金刚石结构。
该方法具有较低的成本和能耗，同时能够合成高质量的金刚石。
然而，由于该方法需要在较高的温度下进行，以及对反应条件的严格控制，限制了其在大规模生产中的应用。
进一步的研究发现，金刚石的合成可以通过化学液相沉积法实现。
这种方法可以在常温和常压条件下，将溶解了石墨和金属催化剂的溶液，通过化学反应合成金刚石。
该方法具有较低的成本和能耗，且可以在大规模生产中应用。
然而，该方法目前的挑战是制备高质量的金刚石薄膜和大面积单晶。
随着纳米材料的发展，人造金刚石的纳米结构合成方法也取得了显著的进展。
一种常用的方法是通过化学气相沉积法，在气体环境中，通过控制气氛和反应参数，合成纳米尺寸的金刚石颗粒。
这些纳米金刚石颗粒在陶瓷制造、电子器件、医疗器械等领域中有着广泛的应用。
此外，还有一种新颖的方法是通过超快激光脉冲来合成金刚石。
该方法利用超快激光的强烈能量和短时域特性，将纯碳材料转变为金刚石。
这种方法具有快速、高效和精确控制的特点，对于微纳加工、光学器件等领域具有重要意义。
人造金刚石的应用也相应得到了广泛的拓展。
由于人造金刚石具有高硬度、高热导率和高耐磨性等特点，被广泛运用于工具刀具、切割工具、磨料、陶瓷材料等领域。
此外，人造金刚石还可以用于光学器件、光学镀膜、电子器件以及生物传感器等领域。
随着人造金刚石合成技术的不断发展，其在材料科学、电子学、光学等领域的应用前景更加广阔。
总结起来，人造金刚石合成技术经过多年的发展，从高温高压法到化学气相沉积法、化学液相沉积法，再到纳米材料的合成和超快激光脉冲合成等新颖方法，取得了显著的进展。
湖北鄂州打造金刚石工具产业集群
ｓｐ ｒｉｈｐｅｓ ｒ Ｊ． 工 晶 体 学报 ，０ ５ ３ （） １ ３ ．０ ９ ｕ ｅｈｇ ｒｓｕｅ［］ 人 ２ ０ ，４ ６ ；０ ５１ ４ ． ［ ］ 张 治 军 ， 正 南 ， 坚 ． 压 法 合 成 人 造 金 刚 石 晶 体 生 长 机 理 研 ８ 李 陈 静 究 进 展 ［］ 超 硬 材 料 工 程 ，０ ６１ （） ４ －３ Ｊ． ２０ ，８ ３ ：０４．
低； 晶体 的纯净度 和透光性 较高［ 。金刚石 的粒度 较 粗 ， 值 为 ４ ５ ３ ５ ｍ， ０ ４ 峰 ２ ／ ５ ｔ ４ ／ ５以 粗 的 金 刚 石 约 占 ｚ
５ ， 晶体 形态较 好 的 Ⅳ型 料 占绝 大 多数 。由表 ２ ３ 且 可知 ， 刚石 的主要 机械 性 能指标均 超过 机械 行业标 金
２ ６２ ０ ．
图 ７ 金 刚 石 的 晶形 分 布
Ｆｉ ７ Ｃｒ ｔ ｌｓ ｐ ｓ ｒｂ ｉ ａ ｏｎ ｉ ｌ ｙ ｔ ｌ ｇ． ｙｓ ａ ｈａ ｅ ｄｉｔｉ ｕｔｏｎ ｏｆｄｉｍ ｄ ｓｎｇ ｅｃｒ ｓ ａ
［ ］ Ｈ． ． ｔ ｎ Ｒ． ． ａ ｎ ｍａ ． ｒｓａｌ ａｉｎ ｏ ｉｍ ｎ ｎ ５ Ｍ Ｓｒ ｇ， Ｅ Ｈ ｎ ｅ ｎ Ｃ ｙ ｔｌｚｔ ｆｄａ ｏ ｄａ ｄ ｏ ｉ ｏ
２ ７ — ５ ６： ３ ８ ．
［ ］ Ｈ． Ｓｒｎ ． ｔｌｔ ｆ ｃｓｉ ｅｔａｓｏｍａｉｎｏ ｒｐ ｉ ４ Ｍ． ｔｏ ｇ Ｃａａｙｉｅｆ ｔ ｔ ｒｎ ｆｒ ｔ ｆｇａ ｈｔ ｃ ｅ ｎｈ ｏ ｅ
人造金刚石合成工艺基础
О.И.Лейпунский 在推算高于 1200K 石墨—金刚石平衡曲线采用了下式，即， ΔZ=ΔZ―(T―T0)ΔS0―ΔZ0[lnT/T0―(T―T0)] 并假定 T0=1400K ΔZ1400=1880 ΔS1400=-1.16 ΔCp=-0.1(根据 Kелль 方程式计算，ΔCp=+0.1)。 我们对瑞典 Lilijeblad 曲线在 61000atm 和 3000K 时为什么发生大幅度的弯曲做了分析和演算。 Lilijeblad 所采用的数据为: αDia=3.6×10-5 度-1 βDia=1.5×10-7atm-1 αGr=2.7×10-5 度-1 βGr=3.6×10-6atm-1
根据以上数据计算得到的结果如表 1 所列。
表 1 压力与温度的关系
T/K 1500 1700 1900 2100 2300
P/atm 43212 47923 51197 53770 55327
T/K 2600 2700 2800 2900 3000
P/atm 55502 54662 53648 52305 50638
摘要： 根据《人造金刚石合成工艺基础》编写提纲的要求，我们着重对石墨—金刚石转变过程中热力学条件
的分析及其平衡曲线的讨论、石墨—金刚石转变过程中动力学条件的分析、石墨—金刚石转化过程的催化、 试样加热方法的讨论和加温加压过程的分析。在分析上述问题的过程中，曾向北京大学化学系孙承谔教授 和华东纺织工学院化学系染化教研组陈美华老师请教过有关理论问题。提出了关于《人造金刚石合成工艺 基础》编写原则的几点考虑：1、为人造金刚石晶体生长第一阶段实验提供理论上的依据；2、通过对石墨 —金刚石转变过程的热力学和动力学条件，以及触媒在这一转变过程中的作用的初步分析，来了解金刚石 晶体生长的一般规律；3、有关金刚石晶体生长的细节问题，如活化能、反应速率的计算等问题在编写人造 金刚石工艺基础(第一阶段)一文时暂不加考虑，但必须指出，这一理论工作是一定要做的。
硅材料及其加工用金刚石工具的发展综述
有芯片生产 线 ９ ９条 ， 国仅 ２ ４ 我 ５条 ， 占世界 比
例的 ２６ 。２０ ．％ ００年世界半导体行业销售 总额
达 ２２ 亿美 元 ， ２１ 而我 国仅为 ２０亿 人 民币 （ ６ 约
为 ３． １３亿美元 ， 为世纪销售额 的 １４ ． ％…。按
规划 到 ２ １ 我 国集成 电路 产量 达到 ５０亿 ００年 ０
第 ３期
・
超硬材料 制 品 ・
王光祖
等
硅 材料及 其加 工用金 刚石 工具 的发 展 综述
２０ ０ ９年 ｌ ２月
硅材料及其加工用金刚石工具的发 展综述
王 光 祖 ， ２
郑 州磨 料 磨 具磨 削研 究 所
王 芸２
摘要
常 州华 中集 团有 限责任 公 司
随着我 国半导体工业集成 电路 （Ｃ 业 的快速发展 ， Ｉ） 硅材料加工用金 刚石工具具有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１ 半导体工业硅材料 的发展
此可见 ， 这一形 势对 我 国半 导体 集成 电路 的快 速发展提供了机遇 ， 随之为硅材料加工 、 刚石 金
半导体工业 的产业链基本上 由设 计业 、 晶
圆（ 芯片） 制造业 和封装测试业 三者组成 ， 而芯
片业 占到总投 资的 ７ ％ 。２ ０ ０世纪末 ， 世界上共
工具 的发展提供 了巨大的市场 。 集成电路 （Ｃ 是 现代信息产业和信息社会 Ｉ）
的基础 。Ｉ ｃ技术是推动 国民经济和社会信息化
发展最主要 的高新技 术 ， 也是 改造和 提升传统 产业 的核心技术 。Ｉ Ｃ的发展离不开基础材料硅 片， 全球 ９ ％ 以上 的 Ｉ 要采 用硅 。随着 Ｉ ０ Ｃ都 Ｃ 制 造技 术 的飞 速发 展 ， 了增 大 Ｉ 为 Ｃ芯片 的产
不断发展的金刚石合成与应用技术
不断发展的金刚石合成与应用技术
王光祖;汪静;陶刚
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2002(014)003
【摘要】对金刚石的合成与应用技术进行了综述,重点介绍了人造金刚石行业具有里程碑意义的三次突破:第一颗金刚石的产生,金刚石膜的制成与爆炸法合成纳米金刚石,描述了金刚石行业的美好未来.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】王光祖;汪静;陶刚
【作者单位】郑州磨料磨具磨削研究所;河南省联合磨料磨具有限公司;河南省联合磨料磨具有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
【相关文献】
1.爆轰法合成纳米金刚石装置及工艺--动压合成金刚石之三 [J], 张书达
2.动压法合成金刚石的发展史①--动压合成金刚石之一 [J], 张书达
3.碳的雨贡纽状态方程及动压合成金刚石机理--动压合成金刚石之二 [J], 张书达
4.SYCM-XB系列合成金刚石薄片触媒及其金刚石合成工艺 [J], 罗斌
5.HPHT合成宝石级金刚石触媒对品质的影响
——以国内三家公司近年合成金刚石为例 [J], 马瑛;庄郁晴;丘志力;邓小芹;陆太进;林培军;赖舒琪
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文章编号:1006-852X(2004)06-0073-05人造金刚石合成技术开拓创新的50年THE FIFTY YEARS CREATIO N OF DIAMO ND SYNTHESIZING TECHNIQ UE王光祖(郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013)Wang Guangzu(Zhengzhou Research Institutef or Abrasives and Grinding,Zhengzhou450013,China)摘要:人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕。
50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃。
过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年。
人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献。
关键词:人造金刚石;合成技术;开拓创新中图分类号:TQ163文献标识码:AAbstract:The first synthetic diamond was produced by General Electric Company in the USA in19541This work opened the prolusi on of syn thetic diamond1Within the last fifty years,the diamond syn thesize technique experienced three great inprovements.So,the past fifty years not only were the years of creation of diamond synthesize technique,but also the years of increase in the quali ty and diversities of the products,and the years of rapid development of production scale and annual production,and also the years of continuous expansion of application1The invention of the syn thetic diamond not only provided a great techniq ue supporting for improving the develop ment of industry modernization and science technique modernization but also contributed to the develop ment of materials science and technology1Key words:synthetic diamond;synthesize technique,exploi ting and innovating1引言金刚石是由碳原子构成的典型原子晶体,其来源有二:一是天然金刚石;另一是人造金刚石。
由于天然金刚石资源稀少,难于满足工业的各种需求,所以必须走人工合成之路。
20世纪50年代初世界第一颗粒人造金刚石的诞生,为人工合成金刚石的科研、生产、应用打开了闸门。
在过去的50年中经历了从静态高压高温触媒法合成单晶金刚石,低压低温化学气相沉积法合成微米/纳米金刚石膜,到利用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石的三大跨越的发展过程,为不断开发金刚石的新品种和扩大应用领域提供了重要的技术保证。
金刚石在自然界极其稀少,分布不均匀。
到目前为止,全球只有27个国家找到了具有经济价值的金刚石矿床。
世界上90%以上的金刚石产于澳大利亚、扎伊尔、俄罗斯、博茨瓦纳、南非、加拿大、安哥拉,金刚石储量均超过1亿克拉。
纳米比亚、加纳、中国、塞拉里昂和巴西,金刚石储量超过1000万克拉;印度、几内亚、中非共和国、利比里亚和委内瑞拉、坦桑尼亚等国的金刚石储量均超过500万克拉。
从价值而论,南非供应了世界50%以上的宝石级金刚石。
目前,澳大利亚是世界上最大的金刚石产出国,扎伊尔居世界第二位,博茨瓦拉居第三位。
加拿大的金刚石资源极具潜力。
自2800年前,印度首次开发金刚石砂矿以来,迄今为止,世界上共采出金刚石约26亿克拉,约520吨。
从20世纪90年代中期至新世纪,全球天然金刚石年产量巳突破1亿克拉[1]。
正如大家所知,工业金刚石在以天然金刚石为主的时代,有什么性能的金刚石用户就只能用什么样的金刚石,到了以人造金刚石为主的时代,则用户需要什么性能的金刚石,就研究生产什么样性能的金刚石,是人定胜天的生动体现!因此,可以毫不夸张地说,进入21世纪人的一生将离不开金刚石,所以一个国家若不重视发展工业金刚石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代就无从谈起。
在过去的50年中金刚石合成技术的不断创新为实现上述三个现代化提供了有力的技术支撑。
可见,人工合成金刚石的研制成功对2004年12月金刚石与磨料磨具工程December12004总第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16人类的物质文明的进步具有何等重要的意义。
本文仅就50年来所取得的一些主要成就做一简要回顾。
2辛勤耕耘、梦幻成真20世纪高压高温技术发展最辉煌的成果,是世界上硬度最高且极其稀有的物质-金刚石可以用人工的方法合成了!实现了金刚石合成技术的第一次飞跃。
这是一个值得永远怀念并载入材料科学发展史册的年份。
半个世纪以来,静态高压高温触媒法合成技术取得了一系列重要成果,本节仅就其中一些主要成就做一阐述。
211超高压高温装置及其大型化超高压高温装置的研制成功实现了人工合成金刚石的美好愿望。
这里需要提及的是美国著名的高压研究者P1W1Bridgman在超高压技术方面的研究所做出的杰出贡献,并为这门技术奠定了基础。
以美国通用电气公司H1T1Hall为首的试验小组,根据P1W1B ridgman的大质量支撑原理所设计的Belt两面顶装置,并解决了用金属催化剂来实现石墨直接转变为金刚石的关键技术。
为后来人造金刚石的发展作出了开创性的贡献[2]。
虽然超高压高温装置的种类很多,但是,目前世界用于金刚石生产的超高压高温装置有三种类型[3]:(1)以GE公司和De Beers公司为代表的年轮式超高压高温装置。
(2)以中国为代表的镀链式六面顶超高压高温装置。
这种类型的装置是中国超硬材料生产的主力机群,约有5000多台,为世界之最。
(3)以前苏联为代表的双面凹式超高压高温装置。
上述装置具有各自的特点,但从综合技术分析,年轮式装置在实现金刚石高端产品生产和降低生产成本,以大型化方面更具优势。
因为两面顶装置具有高压冲程适中、压力稳定性好、合成重复性好等优点。
因此,合成腔体的温度和压力场能够长时间稳定,适合生长高品级金刚石和大直径的复合片等产品。
所以,利用两面顶合成技术生产超硬材料是西方发达国家超硬材料产业的发展主流。
该工艺具有技术密集、资金密集的特点,长期为美国、英国等少数国家所垄断。
艺精长运超硬材料有限公司是目前国内几家坚持用两面顶进行金刚石生产和新产品开发的企业之一。
2001年立项的3000吨两面顶法合成高品级金刚石的研制成功,实现了世界先进技术平台的初步接轨。
三柱式3000吨两面顶压机和扁平化直径70mm合成腔体模具,二者都是迄今为止国内自行设计的最大装置,首创外层钢丝缠绕式超高压模具,也是国内目前最领先有自主知识产权的装置,不仅考虑了大型化的需要,更充分地考虑了国际上最先进的粉末工艺技术路线的使用需要。
以直径70mm腔体超高压模具为例,可实现金刚石单产90-160克拉,高品级(MBS960与950)含量35-40%,产品TI、TTI差值小于或等于5%,达到国际水平。
3000吨压机和直径70mm模具的运行成功,从技术角度较大地拉近我国与世界先进水平的距离,为将要进行的设计的6000吨压机迈进奠定了良好的基础,从而使中国两面顶技术也开始主动追赶世界先进技术的发展潮流[4]。
超高压腔体的大型化及其控制水平的提高,是关系到人造金刚石生产技术提高众多因素中的关键。
因此,一直是人们关注的热点和重要课题。
为控制金刚石高端产品在国际上的垄断地位,De Beers公司研发费投资50亿美元,GE公司也投入了30多亿美元。
实践表明,高压腔体的大型化的确能带来高产、优质和低成本的好处。
212粉末触媒的开发与应用德国Winter公司投入巨资,经过7年探索开发出的用粉末触媒合成高品级金刚石的工艺方法,与片状触媒合成金刚石的工艺方法相比,具有三高的功效,即可提高单位体积中金刚石的得量,晶体完整,缺陷少以及经济效益显著,显然是金刚石合成技术发展中的一项具创新性成果。
据了解,GE公司和De Beers公司生产高品级金刚石采用的也是粉末触媒,表明这种方法具有先进的实用性。
213产品品种的系列化、专用化本节以De Beers公司的产品为例给予阐明。
SDA 系列磨料为高强度产品,1985年推出的SDAplus系列,是为扩大锯片生产中金刚石磨料的选择范围,1992年推出的SDB2000系列又是对SDAplus系列产品的补充,Monocrystal单晶系列80年代表末推出的新品种:包括Monodie拉丝模坯系列、Monodite刀具坯系列和Monodress修整器系列,代表了当今人造金刚石单晶工业化生产的最高水平,显示出一个公司技术势力高的综合水平[5]。
214金刚石产、耗量增长目前世界上能够生产人造金刚石的国家有二十几个:美国、英国、中国、爱尔兰、俄罗斯、鸟克兰、瑞典、韩国、日本、法国、白俄罗斯、乌兹别克、德国等等,我们估计,世界人造金刚石现今年产量突破30亿克拉,其中中国年产量有20亿克拉之多,为世界人造金刚石生产的超级大国,中、低端产品产量属世界之最,其价格之74金刚石与磨料磨具工程总第144期低也是世界之最。
而GE公司(年产116亿克拉)、De Beers公司(2亿克拉左右)、韩国日进公司为6000-8000万克拉,这些公司的产品均为高端产品。
随着世界各国工业技术的发展,工业金刚石的耗用增加很快,从1970年的015亿克拉增加到1980年的1亿克拉,此后以年增长率13%的速度增长。
1990年世界工业金刚石耗用量达到318亿克拉,2000年高达10亿克拉。