【正文】 照，而且可以先鍛煉我們的動手能力，為以后的實驗打下基礎(chǔ)。 （ 3）往金剛石中摻硫 步驟還是以上所示，將硫摻入絕緣管中的觸媒中即可。 硫的結(jié)構(gòu) 硫在游離狀態(tài)能形成幾種同素異性體，常見的有結(jié)晶硫（正交硫和單斜硫）和無定形硫（彈性硫和較狀硫），下面介紹幾種常見的硫環(huán)結(jié)構(gòu) （ 1） 環(huán)八硫 S8 在硫的環(huán)狀結(jié)構(gòu)分子中，以環(huán)八硫分子最穩(wěn)定，它具有近似于 D4d 對稱性的皇冠狀結(jié)構(gòu)。 S 粉與作為碳源的石墨粉經(jīng)過均勻混合后粉壓成型， S 的摻雜量為碳源總質(zhì)量的百分比。 （ 3）其它環(huán)狀硫 其它環(huán)狀硫均可以通過化學方法制的，但多數(shù)在室溫下不穩(wěn)定，對光和空氣都十分敏感，必須在低溫下保存。 （ 4） 由于硫原子有可以被利用的 3d 軌道，成對的電子能夠拆開成單的進入 3d 軌道而參與成鍵，所以可以形成氧化數(shù)高于 2 的正氧化態(tài)，其中最高氧化數(shù)可達到 +6。 第三步：待一天之后，我們在從六面頂壓機中取出合成好的金剛石，由于在合成過程中采用的是高溫高壓技術(shù)，所以要先卸壓，卸壓是應(yīng)輕輕扭轉(zhuǎn) 泄壓閥，過快時反應(yīng)腔體容易發(fā)生爆炸。 碳源是合成金剛石過程中碳的來源，但是在短時間的合成過程中，它對生長過程的影響不及觸媒產(chǎn)生的影響，到目前為止，實驗還沒有遇到過碳源用完的情況。從其作用來看，它就是傳導電流和保溫。 沒有這么艱苦卓絕的研究，也就沒有今天大張旗鼓地發(fā)展金剛石工業(yè)、深層次金剛石研究的局面。 對組裝來說，構(gòu)件的配合精度是很講究的，若誤差太大，就會造成合成工藝不穩(wěn)定，影響到金剛石的生長。 （ 3）車床：主要用于將石墨棒車成石墨管。 范圍之內(nèi)。在液壓系統(tǒng)中還裝有傳感器，使之與電控部一起組成可靠的閉環(huán)控制。 我們在實驗過程中采用的六面頂壓機 為 鄭州磨料磨具磨削研究所出產(chǎn)的 XKY－ 6 1200MN 型鉸鏈式六面頂液壓機 ，六面頂壓機頂部有六個錘頭，其結(jié)構(gòu)如圖 32 所示，這六個錘頭分別 從六個坐標方向（ X， X；Y， Y； Z， Z）對葉蠟石圍成的合成腔體施加壓力，形成支撐，以此來獲得高壓。 （ 5） NaCl管的加工：按（ ZrO2） 1： 4（ NaCl）的比例將兩種原料混合均勻，稱取適當量的混合料，利用壓環(huán)模具，壓制成所需環(huán)狀 NaCl管樣品。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 23 材料加工 材料加工是實驗的一個重要環(huán)節(jié)，材料準備的質(zhì)量關(guān)系到實驗的成功與失敗，在加工過程中我們也遇到了各種各樣的問題。實驗中用的碳源，是用業(yè)內(nèi)著名的四川自貢東新電碳廠的產(chǎn)品制作的。 ② 增加葉蠟石的密封性能 過去在金剛石合成中，制造傳壓和密封介質(zhì)的材料是同一材料葉蠟石礦石。但是，隨著科技進步和實踐發(fā)展，葉蠟石在高溫高壓狀態(tài)下的缺陷也逐步被認識。再者，我們可以做測溫實驗，考察功率與溫度的對應(yīng)關(guān)系，用以參考。 理論上講，在不考慮其他因素的情況下（現(xiàn)在看來，幾乎不可能），電阻若是相同，采用相同功率就會產(chǎn)生相同溫 度。溫度控制理論上簡單，而實踐起來難；功率控制與之相反。但我河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 18 們的實驗在壓力、溫度控制方面并不是毫無根據(jù)。因為不同的溫度區(qū)域適合不同晶面的生長，如圖 24，而雜質(zhì)進入晶體內(nèi)部時會帶有明顯的晶面傾向性。 圖 22 高溫高壓溫差法反應(yīng)腔體 （ 2）合適的溫度梯度 要生長優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶，溫度梯度的合理調(diào)整非常關(guān)鍵（如圖23）。 幾十年來高溫高壓技術(shù)的發(fā)展，要想實現(xiàn)在金剛石穩(wěn)定區(qū)內(nèi)生長晶體已經(jīng)不是難事，尤其是在金屬觸媒參與的情況下。碳原子迅速堆積而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷及所含雜質(zhì)，由于熔蝕速度加大而基本全部熔蝕掉，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、雜質(zhì)含量很低的優(yōu)質(zhì)晶體。 Ⅱ 區(qū)：環(huán)境溫度有所提高，活化速度增大很快，堆積速度增長也較快，熔蝕速度增長緩慢，因而晶體增展速度有所增大，在正常同等合成條件下，其產(chǎn)品特點為：產(chǎn)品晶形較完整，標準晶形為六面體，透明度 較高，有一定的雜質(zhì)含量，粒度適中，強度稍高。 媒介物質(zhì)的有無對金剛石的生長至關(guān)重要，它起到了降低生長條件的作用。碳原子的堆積速度與熔蝕速度之差即為晶體真正的生長速度。因而，晶體熔蝕的結(jié)果是去劣存優(yōu)， 使晶體結(jié)后更加完整?；罨奶荚舆_到一定的濃度時，在適宜條件下相互結(jié)合形成金剛石晶核，在晶核的基礎(chǔ)上由內(nèi)向外一層原子面一層原子面的向外生長推移，晶核慢慢長大而成為晶體。 摻入硫后金剛石的晶體形貌會發(fā)生變化，而且金剛石的生長條件也會發(fā)生很大變化。 1965 年 8 月，我國制造出第一臺鉸鏈式六面頂壓 機，自此，我國進入了工業(yè)金剛石生產(chǎn)階段。在合適的條件下，壓力可使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。截至 1996 年底，中國保有金剛石儲量 萬 克拉 ，在世界上不占重要地位。 世界金剛石礦產(chǎn)資源不豐富， 1996 年世界探明金剛石儲量基礎(chǔ)僅 19億 克拉 ，遠不能滿足寶石與工業(yè)消費的需要。實際上，舍碳相對多的超基性巖在上地幔中呈熔融巖漿狀態(tài)時，碳已開始聚集了，只不過不能形成固態(tài)晶體罷了。目前各國正在研究用人工方法調(diào)整氮雜質(zhì)的含量及其存在方式以制造高強度的 Ia 型人造會剛石。在 I 型金剛石中氮的含量達 4 1020原子／ cm3(約 0． 25%)，被稱為含氮的金剛石。通過實驗發(fā)現(xiàn)，石墨化過程在 (110)方向進行的最快 ，而在 (100)方向進行的最慢。其極限性質(zhì)有：最高硬度，最高熱導率，最高傳 聲速度，最寬透光波段，抗強酸強堿腐蝕，抗輻射，擊穿電壓高，介電常數(shù)小，載流子遷移率大，既是電的絕緣體，又是熱的良導體，而摻雜后又可成為卓越的 P 型或 N 型半導體。 圖 11 金剛石結(jié)構(gòu)圖（左） 石墨結(jié)構(gòu)圖（右） 通常金剛石晶體最常見的晶面主要有（ 111）、（ 110）、（ 100），見圖 12。 人造金剛石中的雜質(zhì)成分與合成時所選用金屬或合金觸媒成分也有關(guān)。金剛石的用途非常廣泛，例如：工藝品、工業(yè)中的切割工具。同時隨著含硫量的增加，晶體的尺寸和完整度減少，而且晶體表面上的凹坑越來越嚴重，并且 晶體中包裹體含量增加，并 由彌散狀逐漸增加到貫穿整個晶體內(nèi)部。 摻硫金剛石具有諸多優(yōu)良的性質(zhì) ,比普通金剛石顯示出更優(yōu)異的性能， 因而成為當前金剛石摻雜中的研究熱點。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 II Abstract Diamond is the ultimate material has many excellent properties, is widely used in industry, science and technology, national defense, medical and health fields. Sulfur doped diamond has many excellent properties, than ordinary diamond shows more excellent performance, has bee the current research focus of doping of diamond. This paper is sulfur powder through a certain proportion of the evenly added to the diamond synthetic system, synthesis of sulfur doped diamond by using high temperature and high pressure in the six cubic press. The experiment by setting the sulfur doping gradient, the effects of different content of sulfur in diamond synthesis. The experiment was divided into two parts: (1) experiment fumble stage: the experimental conditions were determined by synthesis without addition of sulfur diamond, ultimately determine the experimental conditions, pressure: , crystal bed and plug size: 6mm and 7mm。 通過對各種金剛石單晶體和多晶體中碳的同位素組成所進行的研究 ，可得出下列結(jié)論：在各類金剛石晶體和粗晶中，碳的同位素組成是相近的。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 2 金剛石的結(jié)構(gòu) 金剛石和石墨都是碳的同素異構(gòu)體，盡管它們都是由碳原子 C 組成的，但其原子的組成方式卻完全不同。 圖 12 金剛石晶體典型晶面 (100)、 (111)、 (110)示意圖 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 3 在 金剛石 晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無限的三維骨架，是典型的原子晶體。金剛石在空氣中的燃燒溫度為 850～ 10000C。某些高溫氣體，也會侵蝕金剛石，如氧 0一氧化碳 CO、二氧化碳 CO氯 Cl氫 H和水蒸氣 H2O。而 I 型和Ⅱ型這兩類金剛石又可各分為 a 與 b 兩個亞類。 IIb 型金剛石的特點是具有半導體性能，而 I 型及 IIa 型都是絕緣體。后來的巖漿受到阻擋，就會集聚力量，拼命擠壓攔路的巖石，直到它抵受不住，發(fā)生爆破，形成隱爆角礫巖。世界鉆石的經(jīng)銷主要由 迪比爾斯 中央銷售組織控制。國家所需工業(yè)用金剛石 99%以上依賴國產(chǎn)人造金剛石， 1997 年中國人造金剛石產(chǎn)量達 億 克拉 ，天然工業(yè)用金剛石所占消費比重極為有限。例如，生長優(yōu)質(zhì)Ib 型金剛石單晶速度要控制 ，氮雜質(zhì)含量在 50~500ppm；生長優(yōu)質(zhì)高純 IIa 型金剛石單晶速度必須控制在 。 盡管國外優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶的合成技術(shù)已經(jīng)日益完善，可我國在該領(lǐng)域的研究仍處于初步研究階段，吉林大學超硬材料國家重點實驗室自1999 年以來，一直孜孜不倦的致力于此項研究，通過幾年的研究，在優(yōu)質(zhì) Ib 型和 IIa 型寶石級金剛石單晶的研究方面，也已經(jīng)取得了較為可喜的進展，優(yōu)質(zhì) Ib 型寶石級金剛石單晶的最大尺寸可達到 5mm，優(yōu)質(zhì) IIa 型單晶 尺寸已經(jīng)超過 4mm。 本文亦是通過在金剛石中摻硫得到含硫的金剛石，從而進行研究，具體的研究內(nèi)容如下： ① 確定實驗組裝，觸媒及腔體的選擇 ② 探索 Ib 型金剛石的合成條件 ； ③ 合成摻硫金剛石，進而研究摻硫?qū)饎偸铣傻挠绊憽? 總之，晶體的生長必須經(jīng)過成核作用，并遵照層生長理論、螺旋生長理論、甚至再結(jié)晶作用逐漸生長，它的生長必須遵照布拉維法則、居里 吳里弗原理、 PBC 理論等規(guī)律。溫度不變的情況下，組分濃度越高，晶體的原子堆積速度越快，其生長速度也越快。 壓力的大小可以改變原子的內(nèi)勢能，從而影 響碳原子的活化能、堆積速度、熔蝕速度。就目前的普通生產(chǎn)設(shè)備而言，還難以實現(xiàn)。其產(chǎn)品特點是：晶形較差，標準晶形為六面體，雜質(zhì)含量較高，透明度較差，粒度較大，強度較低。若整個合成過程跨越兩個區(qū)，在Ⅴ區(qū)時間較長，Ⅵ區(qū)時間較短時，仍能獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，則是大部分晶體可見熔蝕現(xiàn)象。 溫度梯度法 在一定的壓力和溫度下，石墨可以直接轉(zhuǎn)化成金剛石，但這個過程需要的活化能勢壘太高，對壓力和溫度的要求都很高（約 13GPa， 3000K），河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 15 而且這種相變過程通常速度很難控制，所以不適合生長寶石級金剛石單晶。盡管隨著金剛石合成水平的進步，優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶的合成速度有了很大的提高，但生長 2carats 左右的優(yōu)質(zhì)金剛石單晶仍需要數(shù)十到上百個小時。雖然溶劑理論在理論上給出了人工合成金剛石的壓力、溫度范圍，但將溶劑理論付諸于實踐，難度很大。根據(jù)溶劑理論，金剛石生長的 V 形隨壓力增加而變寬，也就是說，高壓對金剛石生長有益。這嚴重限 制了溫度控制的運用。這個控制過程不能由計算機完成，因為電阻與功率間的對應(yīng)關(guān)系并非線性，而且功率和電阻配合的實際結(jié)果也并沒有兩個參量那么簡單，所以，這個控制由實驗者手動實現(xiàn)。若干年來，我國的生產(chǎn)廠家及科研機 構(gòu)在金剛石合成方面的研究力度也在逐漸加大，并取得了一些可喜成果，但這些成果在高品質(zhì)金剛石合成方面的應(yīng)用成效并不大。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 21 本實驗過程中所使 用的葉臘石塊為正方體，其結(jié)構(gòu)有兩種。在純?nèi)~蠟石中加入白云石以及其他成分 ，可以改善這一性能。本次實驗采用的是 FeNiCo 和NiMnCo 合金。在制備過程中 MgO 會因天氣原因而使得含水量不同，所以我們會在原有的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上來增加或減少一定的數(shù)量，從而制得符合要求的晶床。 （ 8）晶床、堵頭和絕緣管的煅燒：將制備好的晶床、堵頭和絕緣管樣品放置于中溫實驗爐中 進行煅燒處理，來增加其硬度。卸壓后，放松鉸鏈，移動頂錘，取出葉蠟石合成腔體。數(shù)顯液壓儀與壓力傳感器配合使用，使超壓、保壓、加熱、卸壓等動作的調(diào)整簡單、方便和快捷。而溫度的控制，是根據(jù)已經(jīng)標定的加熱功率和腔體內(nèi)部溫度的對應(yīng)關(guān)系，來控制實際投入的加熱功率，即，恒溫控制實際上采用的是恒功率加熱方式。而這個穩(wěn)定的生長環(huán)境包括溫度的穩(wěn)定性