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，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，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；它有优良的透光性和耐腐蚀性，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

石墨在一定的温度和压强下是会发生结晶变态从而变成金刚石，且石墨的温度和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

金刚石是石墨结晶变态产生的，其石墨是主要原料，转变过程的反应压力和温度必须不低于190 000kg/cm2 和∽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和温度的设备是非常困难的。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，控制液压泵组和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。控制速度要快，控制精度要高。因此超压采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊PID控制。

模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适应性强、可靠性高、不受工作

环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、不需要精确数学模型等特点。但模糊控制的稳

态精度较差，故采用模糊一PID复合控制的方法，以提高模糊控制的精度

[3][7][8]

3.2.2温度控制

人造金刚石压机生产工艺要求加热控制是在超压达30 MPa以后开始的，加热

控制也分加温、保温几段进行，几分钟或十几分钟后停止加热。

加热控制系统将加热电压和加热电流采样信号相乘得到功率测量值，与计算机预设的加热功率工艺曲线进行分析比较，经高级控制算法处理后，通过控制功率可控硅的导通角来控制大电流加热变压器的输出电压和输出电流，使系统的加热功率满足工艺要求。被控对象合成块为叶腊石作触媒内装石墨，为电阻性负载。由于采用变压器降压和升流，串入了电感性负载，容易引起超调和振荡。合成块的温度是根据热功当量原理产生和计算，由于传热介质编织带、合金顶锤、叶腊石的特性，使温度具有滞后性质。被控对象合成块在合成过程中被6个顶锤全封闭，其温度采用红外线测温仪测量。[4][9][10]

3.2.3钉锤位移采用高速指令

顶锤位移检测系统的作用是根据6个顶锤位移传感器检测的位移量，计算出

每对顶锤的同步差，以及在合成过程中预测每个顶锤位移发展趋势，以提供计算

机可靠的顶锤位移数据，并控制6个顶锤按工艺流程要求准确无误地动作。人造

金刚石合成过程中充液时6个顶锤的吲步差的精度，是合成金刚石的重要指标，

要求同步差小于0．01 lnnq。充液时间却只有4～5 S，要在极短的时问内准确无

误地采样20×6组顶锤位移数据，并及时进行分析处理。采用高速处理指令、浮

点运算指令和各种抗干扰措施等确保控制的精度。[5][2][3][4]

3.3试验所用仪器

由于目前所采用的六面顶压机系统在温度和压强发面不能进行精确控制，所

以本设计采用智能控制系统。所需仪器压机的计算机控制系统主要是代替压机原

来的电控系统。它由加压控制、加热控制、顶锤位移控制、综合分析处理、现场

监控、中心监测几部分组成，具有逻辑分析、数理计算、最优化动态控制、状态

检测、异常情况分析及处理、工艺自动跟踪、动态显示、人机友好界面、网络通

信等智能化功能。[1][3][5][11]

3.4试验条件参数

金刚石生产工艺要求控制系统各项技术指标如下：压力控制范围及稳态控制精度

0～100 MPa±0．30 MPa，动态响应时间<3 S；加热电压控制范围0～ 6 V；加热

电流控制范围0～10 kA；加热功率控制范围及稳态控制精度0～60 kW±0．1 kW，

动态响应时间<2 s；顶锤位移量控制范围及控制精度0～100mm±0．01 mm

3.5试验结构表征以及性能测试等

试验结构表征：通过一定的压强和温度使石墨在催化剂作用下发生变态结晶从而转变成金刚石

性能测试：主要针对金刚石体腔的大小，质量的多少，和纯净度，强度，硬度进行测试。

3.6并能进行设计方案可行性的理论分析。

30年来，合成工艺有比较大的进展，主要体现在反应腔体的扩大，合成第一颗金刚石的反应腔体直径是3．13mm，六面顶装置被采用后，反应腔体直径从10经过12、14、l6扩大到18mm，历时20余年，且这些工作都是在5×6MN设备上完成的。

如今采用智能控制系统，对金刚石的温度和压力的稳定性进一步精确性控制，那么金刚石的合成技术层相信会更上一层楼。只是在晶体的生长反面还需要进一步研究。

3.6.1热力学基础

根据热力学原理可以确定石墨—金刚石转变过程的方向和限度，其转变过程的方向可以通过转变过程的自由能的变化来判断。

3.6.2动力学条件分析

石墨—金刚石的热力学研究表明，祗要温度和压力处于“金刚石的热力学稳定区内，石墨就有转变为金刚石的可能，但实际情况并不如此理想。

根据近代碰撞理论可知，不是所有分子都能参加反应的，参加反应的只有活化分子碰撞形成活化络合物(即处于过渡状态)，这个络合物是不稳定的，它分解后可得到“生成物”对石墨—金刚石的转变过程来讲，当其它条件不变时，增加压力对于反应速度是不利的，这是因为压力的增加对于庞大和开阔活化络合

物的形成是不利的。

3.6.3金刚石的催化

压力和温度是影响反应速度的重要因素。石墨转变为金刚石只有在两种条件同时存在时才能实现。据推测，在无触媒参与的条件下，这一转变过程的反应压力和温度必须不低于190 000kg/cm2 和∽3900℃，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和温度的设备是非常困难的。

为了解决这一难题，国外的研究者在人造金刚石晶体生长技术方而进行了不少工作。他们的研究结果充分表明，在较低的温度(1200～2400℃)和压力(50 000～100 000atm)的条件下，几分钟内是能够制得金刚石的，不过需要加入触媒剂。十分明显，触媒在这一转变过程中是非常重要的。在目前我们所设计的61型、62 型超高压高温设备所能达到的压力(75 000atm)和温度(1200～2000℃)的范围则更具有其现实意义。不言而喻，触媒的正确选择也就显得十分重要。