【正文】 和壓力的穩(wěn)定性。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 28 作為傳壓介質，白云石襯管葉蠟石塊滿足以下要求： 第一、具備傳遞壓力到各個位置并且保持相等的能力； 第二、可壓縮量應盡可能低，這樣傳壓介質材料消耗的壓力少，使高壓腔的設計更可行； 第三、熱傳導性低，這有利于高壓腔內(nèi)溫度均勻一致和保持高溫； 第四、導電性低，同時起到絕緣材料的作用； 第五、熔點盡量高； 第六、應具有化學惰性 ，不與觸媒、碳質及硬質合金中元素起反應，也不應含有任何對金剛石生長不利的元素。因此，導電鋼帽與石墨接觸面要盡量?。ㄊ菬岬牧紝w，接觸面容易損失更多熱量），而與頂錘接觸面要盡量大（一方面有利于導電，另一方面防止熱量集中，造成局部高溫，危害頂錘）。根據(jù)實驗人員不同的需要，三個構件的尺寸、形狀（晶床除外）可以變化。 剛到實驗室的第一天，學長學姐們首先教我們挑選金剛石，我們要尋找的是金剛石籽晶的（ 100）面，即正方形面，剛開始我們對其沒有什么印象，在 顯微鏡下找來找去，卻始終找不到，后來學姐為我們先挑了一個，我們才恍然大悟。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 32 第四章 摻硫金剛石的合成 硫的性質和成鍵特點 硫（ Sulfur），俗稱硫黃，通常為淡黃色晶體，性松脆，不溶于水，易溶于二硫化碳，導熱性和導電性都很差，是一種極好的絕緣體。環(huán)八硫分子可以形成多種晶體，其中最重要的有三河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 33 種，它們是：正交硫（ α 型， Sα），單斜硫（ β 型， Sβ），單斜硫（ γ 型，Sγ） 。 實驗條件的確定 觸媒的選擇 在工業(yè)金剛石研究領域中，催化劑的研究是一個極其重要的方面。環(huán)六硫分子不穩(wěn)定，極易分解。 （ 3） 硫原子之間有強烈的成鏈傾向，而且這種長鏈也可以成為形成鏈狀化合物的結構基礎。 第二步：將組裝好的樣品放在高溫烘箱中十分鐘后取出，放進六面頂液壓機中加溫加壓合成金剛石。另外，把雜質摻加到觸媒中，是金剛石摻雜的重要手段。在組裝塊柱形腔體的軸向上，在鋼帽與石墨管之間還存在圓片組合結構。同時，科研人員對葉蠟石復合塊進行研究的領域，也從當初的制造穩(wěn)定的高溫高壓條件，到后來力圖降低合成壓力和合成溫度，再到后來關注傳壓介質的安全性，最后到對傳壓介質的實驗礦物學考察以及各種高科技手段分析。如圖 33，可以簡單地將組裝分為四部分。 （ 2）液壓機：實驗過程中，有些材料是自己制成的，液壓機主要用于借助一定的壓力，將粉末狀壓原料制成所需形狀的材料，每種材料所需壓力不同，所以需要調(diào)節(jié)壓力按鈕。利用超高壓液壓泵補壓可以滿足這些要求，它可以無限期保壓和補壓，而且保壓時壓力穩(wěn)定，在額定壓力為 110MPa 條件下（使用壓力為 60100MPa） ，壓力波動穩(wěn)定在177。 （ 2）液壓部：采用交流電動機作為動力，液壓泵選用高壓葉片泵，由壓力表進行監(jiān)測，并通過電控平衡閥、液控單向閥、節(jié)流閥、電磁溢流閥、電接點溫度計等儀表對液壓部的壓力、溫度進行控制。以六面頂壓機及工藝技術生產(chǎn)人造金剛石和立方氮化硼， 是我國具有完全知識產(chǎn)權、不同于其他各國的創(chuàng)新成果，是幾代中國科學家和廣大工程技術人員智慧的結晶，是我們國家超硬材料行業(yè)的驕傲，六面頂壓機及其工藝方法以令兩面頂方法為榮的發(fā)達國家科技人員刮目相看 ，物美價廉的六面頂壓機及其生產(chǎn)超硬材料的獨特方法已為世界先進水平的產(chǎn)品。 （ 4）碳源的制備：稱取一定量的碳粉，油壓機上壓制成所需的塊狀樣品。由于 NaCl在高溫高壓下有反膨脹的功能，可增加內(nèi)壓。作用為加熱保溫的石墨，需要有較高的電阻系數(shù)，這樣可以降低其加熱電流，延長頂錘壽命 ；作用為轉化金剛石的石墨，就需要有合適的純（并不是越純越好）、合適的氣孔率、合適的體積密度和較高的石墨化程度。高溫超高壓下葉蠟石等含水礦物脫水，一方面造成體積收縮，能量損失加大；另一方面，水在高溫超高壓下的分解對金剛石生長不利。由于這些性質，葉蠟石是傳壓介質的不二選擇，至今沒有合適的替代品。雖然功率控制不能保證溫度恒定不變，但它保證了實驗之間的重復性，使得實驗結果不會差別過大，而且，功率控制顯示直觀，易于調(diào)控。這樣，實現(xiàn)控制要參考的量就可以簡化成兩個，功率河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 19 和電阻。 在實驗中，都是用功率控制來做實驗，為什么呢？雖然二者都是調(diào)整溫度，但是思路卻大不相同。 由于技術限制，合成腔體能達到多少壓力、多高溫度，這些數(shù)據(jù)不是能夠每次都進行準確的在位測量而得出的，這給工藝控制帶來困難。 （ 4）溫度的影響 高溫高壓下有觸媒參與下金剛石單晶的合成，溫度本身不僅會明顯影響到晶體形貌，還對雜質存在方式也有很大影響。整個腔體放進高壓腔中，碳源處在高溫端，籽晶置于低溫端，由于溫度差的存在會造成碳在觸媒溶劑中的溶解度不同，形成濃度梯度，從而促使碳由高溫端向 低溫端擴散，由于籽晶的存在，擴散下來的碳源無需成核直接在籽晶表面上以金剛石形式外延析出生長，且隨時間的推移，晶體向熔體深處伸展。雖然近年來異軍突起的金剛石合成技術低壓化學氣相沉積法（ CVD）不需要很高的壓力環(huán)境，但這種方法目前為止似乎部分程度上還需要和高溫高壓相結合。 Ⅴ 區(qū)：溫度更進一步增高，活化速度已經(jīng)很低，甚至近于零，活化原子濃度達到最大，堆積速度同時也達到最大，熔蝕速度進一步增大，直至與堆積速度相當，這時晶體生長速度較慢。在一般合成條件下，其產(chǎn)品特點為：產(chǎn)品晶形較好，透明度不高，具有一定的雜質含量，粒度很細，強度很低?？偟膩碚f，在一定范圍內(nèi)增大壓力，即是增大了晶體的生長速度。但是，溫度的升高 ，也加劇了晶體內(nèi)碳原子的動能，使得晶體內(nèi)碳原子掙脫相互間的鍵力而重新回到活化原子狀態(tài)，即：溫度升高，可以增大金剛石晶體的熔蝕速度。在晶體內(nèi)部結構有缺陷或含雜質的地方內(nèi)勢能微弱，極易發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。它的一般生長過程是：在高溫高壓條件下，碳原子獲得充足的能量掙脫原來的原子團而成為自由原子，這一過程稱為碳原子的活化。由于技術保密，我國難以河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 9 直接引進國外技術，因此，開展相關技術的研究，爭取技術突破，是廣大金剛石科研工作者的愿望和追求。 我國是在 1961 年開始的金剛石研究工作，并于 1963 年在兩面頂壓機上，利用高純石墨片和 NiCr 合金，在 和 1628K－ 1783K 的條件下生長出了金剛石。因為碳和其它元素有很高的反應活性，不易單獨存在，所以自然界中金剛石和石墨相對稀缺。 中國金剛石礦產(chǎn)資源比較貧乏，通過近 50 年的地質工作，僅在遼寧、山東、 湖南 和江蘇 4 省探明了儲量。早在公元前 3 世紀古印度就發(fā)現(xiàn)了金剛石 ， 自公元紀年起至今，鉆石一直是國家與王宮貴族、 達官顯貴 的財富、權勢、地位的象征 。所以現(xiàn)在找尋金剛石礦，首先要找火山通道和產(chǎn) 出金剛石的母巖金伯利巖或輝綠巖等超基性巖類 )。這種類型的金剛石在自然界中很稀少，大部分人造金剛石都是 Ib 型的，由于它含氮量少，且以分散方式存在，其強度不如 Ia 型的。 表 11 金剛石的一些極限性能和用途 性 能 應 用 力 學 硬度 （ kg/mm2） 金剛石 5700~10400 CBN 4700 SiC 1875~3980 Al2O3 2080 用于所有非金屬材料的超硬磨料 熱 學 溫度傳導率 (Wm1k1) 金剛石 600~2100 氧化鈹 220 銀 428 銅 401 電子設備的溫度管理部件 光 學 光學透明性 金剛 石 340~ ＞ 6~10μm 用在熱學影像中有良好機械特性的紅外透明窗 電 學 電阻系數(shù) (Ω﹡ m) 金剛石 101~1014 半導體 101~100 超高電壓開關 化 學 較高的耐酸特性 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 5 金剛石的分類 上面我們已經(jīng)了解到金剛石的主要雜質為氮，所以根據(jù)金剛石中雜質氮的含量可將金剛石分為 I 型和Ⅱ型。 金剛石石墨化的溫度與晶體的晶面有關。 金剛石的性質和用途 金剛石是一種在機械、熱學、光學、化學、電子學等方面具有極限性能的特殊材料。所以 6 組碳碳鍵實際上可以構成 12 個六元環(huán)，所以一個碳歸十二個六元環(huán)共用。有人曾研究了 I 型和Ⅱ型透明金剛石晶體，發(fā)現(xiàn)其中有些含有硼，其含量在大多數(shù)的情況下與 Al、 Fe、 Mg 和 Si一樣。金剛 石是自然界中最堅硬的物質。通過研究發(fā)現(xiàn)：隨著 系統(tǒng)中的硫含量的增加 ，金剛石晶體的顏色開始逐漸發(fā)生變化，由黃色逐漸變?yōu)榘迭S和黑色。 本文是通過將一定比例的硫粉均勻的加入到金剛石合成體系中，在六面頂壓機上利用高溫高壓方法合成摻硫金剛石。 (2) sulfur doped diamond synthesis stage: the first stage setting next, the sulfur powder by adding different proportion into diamond synthesis system,synthetic diamond. Through the study found that: with the increase of sulfur content in the system, the color of diamond crystals gradually began to change, gradually change from yellow to dark yellow and black. At the same time with the increase of sulfur content, size and the integrity of the crystal is reduced, and pits on the surface of crystal is more and more serious,and inclusions in the crystal content increased, and the scattered gradually increased to run through the whole parison of diamond Raman spectra of sulfur doped and undoped sulfur, we draw in the tolerance of the Raman peaks and FWHM are basic varies in a small range, the diamond Raman peak basically no change. Keywords: diamond。在金剛石單晶體中 C12／ C13 值變動在 89． 24~89． 78 的很窄范圍內(nèi)。在金剛石中碳原子 C 成正四面體排列，而在石墨中，碳原子 C 成六角形層狀排列，見圖 11。每個碳原子都以 SP3 雜化軌道與另外 4 個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。 （ 3）石墨化 金剛石在非氧環(huán)境中受到高溫作用時，具有石墨化傾向。 人造金剛石的應用領域十分廣泛，幾乎涉及國計民生的各個領域，小到家庭裝修， 大到 微電子及航空航天等高技術領域 。 Ia 型金剛石中含有較多的雜質氮，通常是 %的程度，少數(shù)可達 %或更多。這類金剛石是很純的亞 類，呈藍色，容易辨認，但是發(fā)現(xiàn)很少，約為 II型金剛石中的千分之一，使 IIb 型金剛石具有半導體性質的原因無疑是分散雜質的存在，對天然 IIb 型金剛石的電、光、光電性質進行了研究，證明它是 p 型半導體。巖漿集聚力量，直到擠破攔路的巖石是個很長的過程，巖漿中已聚集的碳，在地下深處長時間受到高溫、高壓，特別是爆破的那一 瞬間，壓力大得驚人 (每平方厘米承受 3000 噸以上的壓力 )，碳被緊密地擠壓在一起，形成了金剛石。 中國發(fā)現(xiàn)金剛石約在 200~300 年前，在明清朝之際（約 17 世紀），湖南省 農(nóng)民在河砂中淘到過金剛石。 金剛石礦石有 巖漿巖 和 砂礦 兩類。 但是在 1985 年，日本的住友電氣公司將優(yōu)質 Ib 型金剛石單晶的生長速度提高到 4mg/h，實現(xiàn)了 lcarat優(yōu)質 Ib型金剛石單晶的商業(yè)化生產(chǎn)。 選題意義以及主要研究內(nèi)容 金剛石是具有諸多優(yōu)異性能的極限材料，用途廣泛。 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文 10 第二章 金剛石的合成理論 金剛石生長的過程是一個相當復雜的過程，但它首先必須遵守晶體生長的一般規(guī)律。在充分遵守這些規(guī)律的基礎上，晶體的生長速度越快，越不利于雜質的排出，也不利于碳原 子堆積生長時的充分取向。對于金剛石而言，它的生長速度與活化的碳原子的濃度具有極其密切的聯(lián)系，活化的速度越快，活化的碳原子濃度也越高，金剛石的生長速度也越快。在溫度不變的情況下，增大壓力，也增加了碳原子的內(nèi)勢能，使碳原子間的引力增大，不易與活化，既可以降低活化速度。因而，工業(yè)生產(chǎn)金剛石必須有觸媒的存在。 Ⅳ 區(qū)：溫度進一步升高，活化速率有所下降，但活化碳原子濃度仍緩慢增大，堆積速度保持較高水平并緩慢