人造大单晶金刚石合成技术及应用研究现状[1]

的使用寿命以及雨天行车的安全性，因此，高速公路的路表面排水设计应得到十分重视。设计人员必须充分考虑路面排水系统的功能需要，对一些设计因素进行认真的分析与计算，使高速公路路面排水设计达到经济、合理、高效、美观的目的。●【参考文献】

［１］吴华金，陈加洪，赵志武．高速公路坡面排水意见和建议［Ｊ］．云南交通科技，２００３，１９（２）：３７－４０．

［２］中华人民共和国交行业标准．公路排水设计规范（ＪＴＪ０１８－９７）．

［３］吴华金，陈加洪，房锐．山区高速公路边沟断面形式选择与研究［Ｊ］．云南交通科技，２００３，１９（２）：３２－３６．

图1碳的P-T相图

1引言

由于金刚石的诸多优异特性，它已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等领域［１］。我国天然金刚石资源匮乏，自１９６３年中国首次合成金刚石以来，经过业界人士４０多年的共同努力，中国金刚石的生产规模得到了空前的发展，生产技术水平也有了很大提高。中国已经成为世界上首屈一指的人造金刚石生产大国，但是中国并非金刚石生产强国。目前国内众多金刚石生产厂家侧重于生产金刚石粉料，金刚砂等。随着金刚石使用规模的扩大，大单晶金刚石的生产已经非常迫切。本文将介绍当前国内外大单晶金刚石的合成技术及应用研究现状。

2金刚石合成技术

金刚石的人工合成研究，实际上是从探索天然金刚石的成分开始的。１７９７年，ＳｍｉｔｈｓｏｎＴｅｎｎａｎｔ证明金刚石是碳的一种结晶形态［２］。从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。２０世纪４０年代，ＰｅｒｃｙＢｒｉｄｇｍａｎ设计了许多优秀的高压设备（有的压力超过了５ＧＰａ），并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学计算为高温高压合成金刚石提供了理论依据。１９５４年，Ｂｕｎｄｙ等人以镍做触媒，使用液压两面顶压机，经过三年多研究，成功的合成出了人造金刚石单晶，并制定了碳的Ｐ－Ｔ相图［３］，从此开创了人工合成金刚石的新纪元。

图１为Ｂｕｎｄｙ等人制定的碳的Ｐ－Ｔ相图［４］～［７］，根据相图存在石墨和金刚石两相，其中石墨是低压稳定相，金刚石是高压稳定相。由石墨直接向金刚石转变所需要

人造大单晶金刚石合成技术

及应用研究现状

王东胜王志勇董耀华

（上海海事大学海洋材料科学与工程研究院）

摘要：随着近几年人造金刚石技术研究的再次发展，大单晶金刚石合成技术成为相关研究者新的

研究方向。本文结合当前人造金刚石合成现状，详细介绍了金刚石的合成技术发展，各大研究机构的

研究进度，生产设备及合成方法。大单晶金刚石的应用情况等。

关键词：人造金刚石；大单晶合成；ＨＰＨＴ；ＣＶＤ；金刚石应用

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的压力和温度条件都很高，一般需要１０ＧＰａ、３０００℃以上的压力和温度。如果在有金属触媒的参与下（如Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等以及它们的合金），石墨相变为金刚石所需要的条件将大大降低。

由图１可以看出，用金属Ｎｉ为触媒，在压力～５．４ＧＰａ和温度～１４００℃条件下石墨就能转化为金刚石。同时图７显示了合成金刚石通常所用的两种方法：膜生长法和温度差法。工业金刚石生长采用膜生长法，宝石级金刚石的生长采用温度差法。

宝石级金刚石合成有两条途径，高温高压（ＨＰＨＴ）法和化学气相沉积（ＣＶＤ）法，下面分别介绍这两种方法目前所达到的水平。

2.1高温高压法

高温高压法的确切含义是指温度梯度法，国内也称温度差法，以下简称ＨＰＨＴ法。该法１９６７年由ＧＥ公司研究小组首提出，１９７１年该研究小组合成出５ｍｍ（约１克拉）黄色单晶金刚石（Ｉｂ型），良质晶体生长速度限界２．５ｍｇ／ｈ，随后，又开发了无色（Ⅱａ型）和蓝色（Ⅱｂ型）大单晶金刚石的生长技术。由于所使用设备庞大和晶体生长再现性不好而导致合成成本过高，没有能够形成产业化。尽管如此，该小组的温度梯度法合成技术、除氮技术和掺硼技术至今仍然是宝石级大单晶金刚石高温高压合成的三大核心技术。

高温高压法生产金刚石目前主要有两种方法，一种是通过六面顶的方式完成石墨到金刚石的转换，另外一种为９０年代初由前苏联科学家ＢｏｒｉｓＦｅｉｇｅｌｓｏｎ等人开发的两段式分球压机设备（俄文简称ＢＡＲＳ）。

住友电工在ＨＰＨＴ法大单晶金刚石合成技术上达到了目前世界最高水准。首先将晶体生长速度大幅提高。利用大晶种等技术将黄色大单晶金刚石的生长速度由通常２～２．５ｍｇ／ｈ提高到１２～１５ｍｇ／ｈ；通过优化触媒成分和提高温度压力控制精度等，将无色大单晶的生长速度由通常１～１．５ｍｇ／ｈ提高到６～７ｍｇ／ｈ，优质Ⅱａ型单晶最大达到１０ｍｍ（直径）；同时金刚石结晶性大幅改善。他们合成的Ⅱａ型金刚石杂质低于０．１×１０－６，晶体缺陷明显低于天然金刚石。目前住友电工掌握了７～８ｍｍ以下黄色大单晶的批量生产技术，其中５ｍｍ以下黄色大单晶的生产技术相对更成熟。

ＤｅＢｅｅｒｓ也开发了ＨＰＨＴ法合成大单晶金刚石技术，根据大单晶产品判断，其Ｉｂ型大单晶合成技术与住友不相上下。

ＮｏｖａｔｅＫ公司进行大单晶金刚石的合成及性能优化研究，目前已经能够成功的对人造金刚石进行变色处理，能将人造金刚石合成为粉红色或蓝色等。图２为其处理设备。

Ｇｅｍｅｓｉｓ公司专门合成大单晶金刚石，其合成水平、温度和压力控制精度达到了批量合成宝石级大单晶金刚石的要求，见图３。２００１年这种压机成功地合成出黄色大单晶。２００３年Ｇｅｍｅｓｉｓ公司首次将经切割打磨过的黄色金刚石推向市场（见图３），目前该公司的人造金刚石饰品已经广泛上市。

德国的Ｗｉｎｔｅｒ公司早年主要从事金刚石工具的制造，为了把人造金刚石和金刚石工具连成一个完整的系列产品，１９７４年在德国政府及北大西洋公约组织的资助下开始研制人造金刚石生产技术，并且后来居上，其独特的工艺及设备使其生产的金刚石在品质方面优于其他两大公司，如成品杂质含量为２‰（应该是‰）～３‰，单次产量可达８００克拉，具世界领先水平。

目前，世界上生产采用ＨＰＨＴ方法合成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、希蜡和印度等近２０个国家。以上国家主要以生产金刚石粉为主，对于大颗粒金刚石的生产处于小批量生产和研究阶段。世界人造金刚石的产量为３０亿克拉，其中年产量在１亿克拉以上的国家有中国、英国、俄罗斯等。据统计，２００３年我国人造金刚石的年产量约为２５．３亿克拉（约５０６吨），比２００２年产量增长了２６．５％。２００６年我国人造

金刚石的年产量达到５０亿

克拉（１０００吨）以上［８］。设备

主要采用具有自主知识产

权的国产六面顶压机，压机

缸径已到７５０ｍｍ，见图４，比

较大的金刚石生产厂家有

图4国产六面顶压机图图2NovateK金刚石

合成设备

图3Gemesis公司

金刚石合成设备