人造金刚石合成技术的发展.ppt
《金刚石人工合成》课件
化学气相沉积 法
化学气相沉积法是一 种常用的金刚石薄膜 制备方法，通过控制 气相中金刚石前体物 质的浓度和温度进行 合成。
等离子体辅助 化学气相沉积 法
等离子体辅助化学气 相沉积法结合了等离 子体技术和化学气相 沉积法，可以提高金 刚石薄膜的质量和生 长速度。
等离子体化学 气相沉积法
等离子体化学气相沉 积法是一种最新的合 成金刚石薄膜的方法， 通过等离子体辅助气 相反应进行合成。
《金刚石人工合成》PPT 课件
这是一份关于金刚石人工合成的PPT课件，通过本课件，我们将深入介绍金刚 石的人工合成历史、方法和应用领域，以及该技术的未来发展方向。
人工合成金刚石的历史
初期技术
最早的金刚石合成技术于20世纪50年代初期问 世，虽然合成质量较差，但标志着人工合成金刚 石的开端。
多晶金刚石制备技术
结论
金刚石人工合成技术在各个领域具有重要的应用价值，未来的发展方向是进 一步提高合成质量和开发新的应用领域。
金刚石人工合成应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ前景
先进切削、磨削工具
人工合成金刚石可以用于制造高性能的切削和磨削 工具，提高加工效率和工件质量。
压电材料
金刚石是一种优秀的压电材料，可以应用于传感器、 超声波装置等领域。
热管理材料
金刚石具有良好的导热性能，可用作热管理材料， 广泛应用在电子器件散热方面。
其他应用领域
金刚石还有许多其他应用领域，如光电领域、光学 镜片等。
随着技术的进步，人们成功开发出了多晶金刚石 制备技术，使得金刚石的质量和产量都得到了大 幅提升。
非晶金刚石膜技术
20世纪80年代，非晶金刚石膜技术的出现使金 刚石的应用领域得到了扩大，开创了全新的可能 性。
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。
金刚石的人工合成
金刚石的人工合成摘要：简要介绍了常见的人工合成金刚石技术，以及合成过程中的一些影响因素。
关键词：金刚石人工合成合成工艺影响因素前言金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。
为满足工业上的需求和缓解金刚石日益匮乏的现状,人类已经在合成金刚石方面作了许多的探索,并取得了许多有实用价值的阶段性成果。
金刚石中宝石级金刚石因其折射率大,在光下有火彩现象而用来制作精美的首饰。
人造金刚石具有诸多优异特性,已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。
例如:利用金刚石硬度大制作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。
因此,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[1].金刚石的人工合成工艺金刚石、石墨及无定型碳都是由纯碳元素组成，合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，将其他晶体结构的碳质材料在一定条件下转化为具有SP3 共价键的金刚石型晶体结构。
从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳素材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此石墨是合成钻石的最主要原料之一。
目前，人类已掌握了多种合成钻石方法。
人造金刚石的合成技术形成了静态高温高压法、动态超高压高温合成法、低压气相沉积法等[2]。
一般石墨在10GPa、3000℃左右可以转变成金刚石，如果加有金属触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5．4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。
常用的方法为合成条件较低的添加触媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。
这种方法中有生长磨料级金同q石(粒径小于1B)的膜生长法和合成宝石级金刚石(粒径大于lmm)的温度梯度法。
(1)膜生长法(FGM)金刚石膜生长法就是指在有金属触媒的参与下，石墨通过高温高压的作用透过金属膜沉积在金刚石核上使之长大[3]。
中国人造金刚石两面顶压机、模具的发展与现状
中国人造金刚石两面顶压机、模具的发展与现状中国人造金刚石两面顶压机、模具的发展与现状石家庄大阳矿山机械技术开发公司、石家庄海鸿重工机械制造公司中国是生产金刚石的大国，而不是生产金刚石的强国。
赶超世界人造金刚石水平，是中国金刚石企业及科研机构的重任。
人造金刚石是一种在高温高压条件下人工合成的超硬材料，由于它具有的优异的物理和化学性能、最高的硬度和耐磨性，被广泛应用于建筑、冶金、机械、石油、地质勘探、航空航天等领域中，作为功能材料，也在电子、光学等领域开始应用。
自五十年代中期人造金刚石问世以来，金刚石行业一直以高于工业发展增长率高速发展。
特别是近20 年来，世界金刚石生产量和消耗量均以10 ～20%的速度增长。
随着超硬材料产业的迅速发展和国际市场对高品级、高韧性金刚石需求量的不断扩大，提高金刚石品级成了超硬材料行业关注的焦点。
90 年代以来，随着德国Winter 公司成功开发出粉末触媒合成粗颗粒高强度金刚石工艺，实现了粉末触媒合成高品级金刚石的工业突破。
世界著名的美国Diamond Innovations （前GE公司）、英国元素六公司为首的金刚石制造公司均采用60MN ～100MN两面顶压机及先进的合成工艺，并垄断了高档金刚石的世界市场。
目前全球人造金刚石产量约为150亿克拉，中国产量约为130亿克拉，约占全世界总产量的90％。
中国是第一大人造金刚石生产国。
中国是生产金刚石的大国，而不是生产金刚石的强国。
我国目前人造金刚石产品虽然占世界产量的90 ％，但产品品质集中在中低档，粒度主要集中在40/100。
35/40以粗高端产品仍主要掌握在西方企业手中。
而中低端产品目前在国内的竞争激烈，因此，未来中国人造金刚石企业的出路在于发展人造金刚石的高端产品（高品级，高附加值）和金刚石制品。
在超硬材料聚晶制造方面，1977 年美国GE 公司成功地开发了金刚石烧结体（PCD ）和CBN 烧结体（PCBN ），由磨削扩展到了切削，使人造超硬材料的用途进一步扩展，产品的附加值也大幅度提高。
金刚石人工合成PPT课件
三、金刚石人工合成
1.1 高温高压（HTHP）法 高温高压法泛指温度超过1500℃，压强超过109Pa 的
条件下制备金刚石的方法，国外一般称作温度梯度法 ，国内称作温度差法，简称HTHP。1967年，美国通 用公司（GE）研究小组首次提出HTHP法，经过几年 的研究工作，在1971年时，合成出世界上首颗5mm（ 约1克拉）单晶金刚石（Ib型），其颜色为黄色，整个 生长过程中晶体的平均生长速率大约为2.5 mg/h，随 后，又研究并制备出了无色（IIa型）和蓝色（IIb型） 大单晶金刚石。但是，这并没有实现大批量的生产， 首先是由于实验设备较大，其次要想长出再现性比较 好的单晶所花费的成本是比较巨大的。
三、金刚石人工合成
由于金刚石具有上述优异性能和用途，加之在自然界 中储量极少,开采极为困难,从古到今,金刚石一直被称 为“贵族材料”。人们很早就尝试以人工合成来补充 天然储量的不足。
• 自从1796年发现金刚石是由纯碳元素组成的晶体后,人 类在人工合成金刚石方面才开始了有目标的漫长而艰 苦的探索。但直到20世纪中叶,由Simon和Berman通过 实验和推测获得了石墨-金刚石平衡相图,才使人工合 成成为可能。
三、金刚石人工合成
燃烧火焰法
燃烧火焰也是一种等离子体，其也有两种形式的装置：一种 通常是用于开放式的火焰；另一种适用于腔体的火焰,其电子密 度在106～108 cm-3；电子能量在0.05～1 eV 范围内。火焰法采 用本生式燃烧，即在碳源气体中预先混合氧气，再进行扩散燃 烧。只要氧气适量，就能形成由焰心、内焰（还原焰）、外焰 （氧化焰）构成的本生火焰。这样，选用适当的材料作为基板 ，将基板设置在内焰中，并保持一定的温度，内焰等离子体中 形成的部分碳的游离基团（如C2等）就可以在基板上生长出金 刚石。虽然燃烧火焰法不适宜外延高品质、大尺寸的单晶金刚 石膜，但作为一种研究手段，还是简捷易行的。
人造金刚石的生产、市场、趋势及新生产工艺
人造金刚石的生产、市场、趋势及新生产工艺扈楠021131021由于有些矿物在自然界产出较少，不能满足工业生产的需要，从19世纪四十年代开始了人造矿物的研究。
许多人造矿物的性能已接近或超过相应的天然矿物，有些人造矿物可以代替某些天然矿物，成本比开采天然矿物的成本还低，并且可以控制矿物的质量和大小。
所以人造矿物的研究和生产发展很快。
金刚石以其最大的硬度、半导体性质以及光彩夺目的光泽，分别应用于钻头切割、电子工业和宝石工业上。
故人造金刚石的意义显得尤为重大。
人造金刚石是用超高压高温或其他人工方法，使非金刚石结构的碳发生相变转化而成的金刚石。
与天然金刚石相比，它具有生产成本低，应用效果好的优点。
由于非金属材料和其他硬脆材料，如大理石、花岗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝土等加工工业的发展，对锯片、钻头用金刚石质量的要求越来越高，需求量越来越大，目前世界上工业用金刚石的８５％以上已由人造金刚石代替。
１生产状况目前世界上生产人造金刚石的国家主要有：美国、南非、爱尔兰、瑞典、英国、德国、俄罗斯、乌克兰、亚美尼亚、日本、中国、罗马尼亚、波兰、捷克、朝鲜、希腊、印度等近２０个国家。
世界人造金刚石的产量为７～１０亿克拉，其中年产量在１亿克拉以上的国家有美国、英国、俄罗斯等。
我国人造金刚石年产量２亿克拉以上，居世界第一位。
世界人造金刚石产量年增长率为８％～１５％。
美国的ＧＥ公司、英国的ＤｅＢｅｅｒｓ公司和德国的Ｗｉｎｔｅｒ公司是目前世界上生产人造金刚石的三大集团，垄断着世界人造金刚石的生产技术和消费市场，代表着世界人造金刚石的发展方向。
ＧＥ公司１９５５年首先宣布人工合成金刚石的工业方法，且曾一度在单晶工艺方面处于领先地位，目前与其他两家公司相比，该公司的聚晶技术更为先进，年产量达１．６５亿克拉，所采用的压机吨位一般在３８～１００ＭＮ之间。
ＤｅＢｅｅｒｓ公司１９８７年合成出世界上最大的宝石级单晶体（１１．１４克拉）和工业级单晶体（重１４．２０克拉），１９９２年又创造了合成重量３９．４０克拉的工业级单晶金刚石的世界纪录。
合成金刚石
d.火焰沉积法： 该法所用的碳源气体一般为工业乙炔气,助燃气为氧气.乙炔和氧 发生燃烧时产生的等离子体气流在基底表面沉积形成金刚石薄膜.该 方法可以在开放的大气条件下形成金刚石薄膜,并且设备简单,生长速 率快。 这种方法于20世纪80年代初期到中期在制备金刚石膜方面作为 一种独特的技术而得到一定程度的发展。在氧乙炔系统中,乙炔的流 量略高于氧气流量,火焰中(称为乙炔焰)含有高浓度的含碳激发态粒 子。如果将基片置于火焰中,金刚石膜将以200μｍ· ｈ-1的速率在其上 生长。氧乙炔燃烧法的主要缺点类同于等离子体炬,沉积面积较小,薄 膜的均匀性较差，冷却难度较大,杂质含量较高。
图3 CVD中反应气体激发示意图
图4 CVD金刚石沉积过程示意图
（1）反应气体的激发
①反应气体的选择 ②反应气体的裂化
①反应气体的选择
所有制备CVD金刚石薄膜的 CVD技术都要求反应气是能激发 含碳反应物的气相分子，反应气 可以是脂肪烃、芳香烃、醇以及 酮。烃的化学性质是关键性的。
②反应气体的裂化
高速飞行对机体材料尤其是飞机机头 部锥形的雷达罩材料提出了高要求。 金刚石薄膜以其优异的性能将在这方 便发挥重要作用。
表1 天然金刚石的物理化学性质
（1）力学性能 金刚石具有极其优异的力学性能，它是目前已知材料 中硬度最高的材料。现今，研究出来的金刚石薄膜的硬 度已经基本上达到天然金刚石的硬度，加之其低摩擦系 数，因此金刚石膜是优异的切削刀具，模具的涂镀材料 和真空条件下需要用的干摩擦材料。 金刚石摩擦系数低，散热快，可作为宇航高速旋转的特 殊轴承，加上它优良的抗辐射性能和碳原子在金刚石中 键能密度高于其他所有物质，因此能承受高能加速器内 接近光速移动的基本粒子的撞击，可以作为其控测材料， 它的高散热性，低摩擦系数和透光性，还可以作为军用 导弹的整流罩材料。
人造金刚石工艺流程
人造金刚石工艺流程
《人造金刚石工艺流程》
人造金刚石是一种由人工合成的类似于自然金刚石的材料。
它具有硬度高、抗磨性强和光泽度好的特点，因此在工业领域有着广泛的应用。
人造金刚石的制作工艺流程十分复杂，需要经过多道工序才能完成。
首先，制作人造金刚石的原料主要是碳化硅和金属粉末。
这些原料会经过特定的配比和混合后，放入高温、高压的环境中进行化学反应。
这个过程称为高温高压合成，是制作人造金刚石材料的关键步骤。
在高温高压合成的过程中，原料会经过几个小时甚至数天的时间才能形成金刚石晶体。
其间，需要控制好温度和压力的变化，以确保金刚石晶体的质量和稳定性。
接下来，通过化学方法处理，将合成金刚石晶体从金属基底中剥离，得到初步成型的金刚石。
之后，还需要采用切割、磨削、抛光等工艺，将初步成型的金刚石进行精细加工，使其达到工业标准的要求。
最后，经过检测和质量控制，将人造金刚石进行分级和包装，最终成品可以用于工具、磨料、刀具和珠宝等领域。
人造金刚石的工艺流程虽然复杂，但是通过现代科技的力量，已经可以实现规模化的生产，为各行各业提供高品质的金刚石
材料。
随着技术的不断进步，相信人造金刚石将会在未来发挥更大的作用。
人造多晶超硬材料概述 ppt课件
人造多晶超硬材料概述
李启泉
• 我们知道，无论是金刚石还是立方氮化硼，它们 都是粉体单晶材料，粉体材料作为终极材料的应 用其局限性太多，必须开拓多晶材料或者其他制 品才能较好地被工业所应用。
• 人造多晶超硬材料就是将人造金刚石或者立方氮 化硼单晶制备成多晶人造金刚石或者立方氮化硼。
• 本节以金刚石为例来讲授多晶超硬材料，主要介 绍多晶金刚石或者称为金刚石聚晶的概念、分类、 特性及应用领域几个方面。
2.拉丝模 PCD拉丝模的应用始于1974年。由于PCD是多晶 结构，磨损无方向性，加上晶粒间存在间隙或晶 粒间有粘结物相被磨损后出现的间隙。这些间隙 在拉丝过程中正好为储存润滑油创造了良好条件， 致使拉丝模的使用寿命比天然单晶金刚石模的使 用寿命高。为硬质合金模的数百倍。
3.修整工具 常用于制作修块、修整笔等，用PCD替代天然金 刚石作为砂轮的修整工具，使用寿命与天然单晶 金刚石修整工具大致相当。
• 4.石油地质钻头 PCD地质取芯钻头的开发试验始于1969年，于1972年
成功地用于地质钻头、扩孔器及钻头的保径。
由 PCD制成的地质钻探用的扩孔器，在砂岩中钻进，使 用寿命为天然金刚石的4倍。
PCD石油钻头的开发试验始钻进都要用到金刚石聚晶。
②立方氮化硼与硬质合金复合片代号PCBN-C(立方氮化硼尺寸范围 5~40µm)，主要用于淬火钢、冷硬铸铁等切削加工。
复合片基本形状有圆形(R)、半圆形(RL) 、扇形(RT) 、三角形(T)、 长条形(L)等。 (2)人造金刚石整体烧结体的品种有：JRS型，包括圆柱状平头聚晶， 圆柱状尖头聚晶其他形状的聚晶
金刚石聚晶的用途
• 人造金刚石聚晶投产20多年来，已在下列工业领域开发应 用并取得优异成效。以下七个方面的应用具有代表性： 1.切削工具 PCD首先被成功地用于制造各种刀具，包括车刀、铣刀 和镗刀等，用来加工铜、铝等非铁金属及其合金、硬质合 金以及碳、石墨、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃钢等非金属材 料。目前用途较广泛地是用PCD刀具加工极其耐磨的过共 晶硅铝合金汽缸活塞，切削时切削速度最高达7000 m/min， 刀具的耐用度为硬质合金的100倍或天然金刚石的2~5倍， 并能断续切削加工；另外用PCD车刀车削加工钛合金(Ti6Al-4V)时，PCD刀具的耐用度为硬质合金刀具的1850倍。
功能性人造金刚石材料生产装备技术开发方案(一)
功能性人造金刚石材料生产装备技术开发方案一、实施背景随着科技的不断发展，功能性人造金刚石材料在电子、机械、化工、光学等领域的应用日益广泛。
然而，当前功能性人造金刚石材料生产装备技术落后，生产效率低下，无法满足市场需求。
因此，开发一种新型功能性人造金刚石材料生产装备技术已成为当务之急。
二、工作原理本技术方案采用先进的化学气相沉积（CVD）技术，通过控制反应气体组成、反应温度、压力等参数，在衬底上形成一层或多层功能性人造金刚石材料。
具体工作原理如下：1. 反应气体组成及比例控制：本技术方案采用甲烷、氢气等反应气体，通过控制各反应气体的流量比，以获得最佳的反应气体组成。
2. 反应温度及压力控制：通过加热元件将衬底加热至预设温度，同时通过真空泵控制反应室内的压力，以保证反应的顺利进行。
3. 衬底选择：根据功能性人造金刚石材料的性质及用途，选择合适的衬底材料，如硅、玻璃等。
4. 沉积工艺控制：通过控制沉积时间、沉积温度等工艺参数，以获得均匀、致密的功能性人造金刚石材料。
5. 后处理工艺：沉积完成后，对功能性人造金刚石材料进行必要的后处理，如抛光、刻蚀等，以去除表面缺陷、提高材料质量。
三、实施计划步骤1. 调研市场需求：了解功能性人造金刚石材料的应用领域及市场需求，为技术开发提供方向。
2. 设计技术方案：根据市场需求及现有技术水平，设计功能性人造金刚石材料生产装备技术方案。
3. 采购设备材料：根据技术方案，采购所需的设备、材料及零部件。
4. 开发控制系统：根据技术方案，开发控制系统及软件，实现自动化生产。
5. 制造样机：按照设计要求，制造出样机并进行试验验证。
6. 调试优化：对样机进行调试和优化，以提高生产效率和产品质量。
7. 试生产：在小批量试生产中进一步验证技术的可行性和可靠性。
8. 推广应用：在验证成功后，将技术推广应用到实际生产中。
四、适用范围本技术方案适用于各种功能性人造金刚石材料生产领域，如电子、机械、化工、光学等。
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。
人工合成金刚石ppt
四、影响金刚石晶体生长的主要因素
2、外因上与温度、压力、环境中有害杂质浓度、 以及媒介物质的有无等有关。内因决定外因，外 因通过内因而起作用。
温度不变的情况下，组分浓度越高，晶体的原子堆积 速度越快，其生长速度也越快。对于金刚石而言，它的 生长速度与活化的碳原子的浓度具有极其密切的联系， 活化的速度越快，活化的碳原子浓度也越高，金刚石的 生长速度也越快。
一、碳-碳共价键网络赋予金刚石优 异的性能
• 金刚石晶体的电子亲和势小，是理想的场发射阴 极材料； • 金刚石又是一种宽带隙半导体（Eg=5.5eV）,击 穿电压(107V）和饱和电流(2.7x107cm s-1)都远远 高于Si, GaAs, InP等常用的半导体材料,结合其优 异的高温性能，在微电子领域，基于金刚石的集 成电路是现有硅基集成电路强有力的竞争者；
三、金刚石人工合成
上述合成方法的一个共同特征是在选择碳源上， 要求碳原子必须采取sp3杂化,与金刚石中的碳一 样，这样向金刚石的转化会容易一些。 例如CVD低压合成金刚石工艺中碳源一般是CH4 ，其中碳原子是sp3杂化的,CH4分子是四面体结构 ，与金刚石中碳-碳四面体连接很类似，如果将 CH4中的四个氢原子拿掉,让剩下的骨架在三维空 间重复,就得到了金刚石结构。
三、金刚石人工合成
2、激活低压金刚石生长 1958年,美国采用循环反应法,第一个在常压下利用 碳氢化合物成功合成了金刚石薄膜；随后，苏联 也用热解方法制备出了金刚石薄膜。这项创新成 果在20多年的时间里一直不被人们接受，因为人 们包括一些很权威的科学家普遍受到“高温高压 合成金刚石”框框的限制。直到80年代初，正是 化学气相沉积(CVD)技术及后来相关技术的发展 ，为金刚石薄膜的生长提供了基础，才使之商业 化应用成为可能。
人工合成金刚石理论与技术
人工合成金刚石理论与技术【摘要】金刚石作为一种贵重，稀有的非金属矿物，一直在国民经济中发挥着重要作用。
其在工业上和生活中但扮演着重要角色。
但是它的匮乏很大程度上限制了它的发展，人工合成方法应运而生。
本文主要介绍几种金刚石的人工合成的理论和方法。
【关键词】金刚石人工合成【正文】一、金刚石的重要价值由于金刚石所具有诸多优异特性,它已经已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。
金刚石硬度很大，可以利用它作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件；金刚石的导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。
除此之外它还有良好的透光性与耐腐蚀性。
现代更有功能金刚石的诞生。
人造金刚石更是被誉为“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。
二、自然金刚石形成机理人类最早是在火山爆发的岩筒中发现的，它形成于金伯利岩中。
金伯利岩体分布在古老刚性“地台”区。
它的熔浆来自地下100km～200km 的上地幔，沿深大断裂向上侵入，期间不断受阻，并形成高温、高压，这是个漫长的阶段,，早期结晶矿物有橄榄石、镁铝榴石、金刚石，随之结晶出铬透辉石、铬尖晶石。
随着岩浆逐步上升，温度、压力逐步降低，岩浆发生蒸馏作用，生成镁钛铁矿和金红石。
当岩浆达浅成带部位时，温度、压力更低，挥发组分大量析出，生成矿物有钙钛矿、钙镁橄榄石和磷灰石。
当岩浆压力超过上覆岩层压力即爆发。
因岩浆是多期继续上升, 先期结晶的岩石碎块和矿物被后期岩浆胶结。
无论是在深部还是浅部的金伯利岩体都含金刚石。
金刚石包裹体中有镁铝榴石、橄榄石、铬尖晶石。
还有镁铝榴石包裹金刚石、金刚石包裹金刚石，皆说明金刚石结晶的多期性。
由于岩浆上升, 挥发份活化, 水分子反应强烈, 形成蚀变次生矿物, 有蛇纹石、碳酸盐、绿泥石、滑石等。
因此, 岩体上部比下部金刚石含量多。
还有金伯利岩体捕掳体和围岩中发现金刚石，而找不到与金伯利岩浆有任何联系，推断这可能是一种高温汽成的金刚石。
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前言
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金刚石的合成方法
3
结语
1 前言
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❖ 金刚石由成正四面体排列的碳原子构 成，中心碳原子以4个sp3杂化轨道与4个 邻近的碳原子成键，形成4个共价键。与 其他材料相比，金刚石具有最大原子密度， 最大可能多的单位原子共价键数目，极强 的原子键合能，从而这也就决定了为什么 金刚石会具有如此多的卓越性能。
2.4 还原热解催化合成（水热法）
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❖ 该方法采用一种全新的还原热解催化合成化学 路线，即通过改进的武慈(Wurtz)反应，用CCl4 为碳源(sp3)，过量的金属钠为反应剂及熔剂，以 Ni-Co-Mn合金为催化剂，在高压釜中，700℃ 条件下合成金刚石。该法在催化剂的作用下，通过 碳(sp3)-碳(sp3)偶联形成正四面体网状结构，可 形成金刚石。
利用高速飞 片撞击石墨 靶板，使石 墨在撞击过 程中生成微 米级的金刚 石颗粒。
将石墨与高 能炸药混合， 在炸药爆轰 的过程中压 缩石墨使其 变为金刚石。
利用富氧平衡炸药 在爆轰时，没有被 氧化的碳原子在爆 轰瞬间的高温高压 条件下，经过聚集、 晶化等一系列物理 化学过程，形成纳 米尺度的碳颗粒集 团，用氧化剂除去 非金刚石相，就得 到纳米金刚石。
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硬度最高 膨胀系数低 击穿电压高
金刚石 优异性能
热导率最大 抗强酸强碱抗辐射
最宽透光波段
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2 合成方法
1
静态高压高温(HPHT)法
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2
低压化学气相沉积(CVD)法
3
动态超高压高温合成法
Байду номын сангаас
4
还原热解催化合成（水热法）
2.1 静态高温高压法
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如果我们在模仿大自然的高温高压条件下，克 服二者之间存在的巨大能量势垒，则可以将石墨转 化为金刚石。常用的方法为合成条件较低的添加触 媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。
2.2 低压化学气相沉积(CVD)法
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❖ CVD法是在金刚石的亚稳定区，用加热、放 电等方法激活碳基气体(如甲烷)，使之离解出碳 原子和氢原子，碳原子在甲基和氢原子的作用下 在固相基片如籽晶上沉积形成金刚石薄膜(单晶或 多晶)。
2.3 动态超高压高温合成法
冲击波法
爆轰波法
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爆轰产物法
水热法
大幅度降低反应温度
产量低；重复性差
2.5 其他方法
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❖ 如激光法等。使用激光器为人造金刚石提供温 度和压力，将不再使用金属溶剂而直接向石墨加 温加压．这样一来不仅可以避免晶体中掺杂的金 属熔剂包裹体，而且可以更有效的控制金刚石的 生长过程，使人造金刚石的质量大大提高。
3 结语
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方法
优点
缺点
静态高温高压法 低压化学气相沉积法
制造工艺较简单，生长速 度快
产品尺寸小，反应条件高
品质高；解决了金刚石大 面积和复杂形状的应用问
题
后续加工困难；生产成本 过高且生长速度慢
爆轰产物法
产品具有纳米特性；工艺
简单，合成成本相对较低； 难点在于爆轰生产的提纯
产品品质可调控
和硬团聚体的分散
钢铁时代 单晶硅时代
大单晶金刚石合成技术的进一步 提高和成本下降；一旦金刚石半 导体研制成功并广泛应用到各个 领域，人类的物质文明将更上一 层楼。
钻石时代
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