【正文】 控制 ................................................................................17 溫度控制與功率控制 ............................................................18 第三章 原材料、設(shè)備和組裝 ........................................................................20 原材料 ...............................................................................................20 傳壓介質(zhì) ——葉蠟石和白云石 ............................................20 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 ii 石墨 ........................................................................................22 觸媒 ........................................................................................22 氯化鈉 ....................................................................................22 材料加工 ................................................................................23 實驗設(shè)備介紹 ...................................................................................24 實驗組裝 ............................................................................................27 白云石襯管葉蠟石塊 ............................................................27 導(dǎo)電鋼帽（堵頭） ................................................................28 輔助熱源 ................................................................................29 核心結(jié)構(gòu) ................................................................................29 實驗組裝的確定 .....................................................................29 第四章 摻硫金剛石的合成 ............................................................................32 硫的性質(zhì)和成鍵特點 ........................................................................32 硫的結(jié)構(gòu) ............................................................................................32 實驗條件的確定 ...............................................................................33 觸媒的選擇 ............................................................................33 實驗壓力的確定 ....................................................................33 實驗結(jié)果與分析 ................................................................................34 合成溫度 ................................................................................34 添加劑硫?qū)饎偸蚊灿绊? ................................................36 摻硫體系金剛石的拉曼光譜測試 ........................................39 實驗問題分析 ........................................................................41 第五章 結(jié)論 ....................................................................................................43 致 謝 ..............................................................................................................44 參考文獻 ..........................................................................................................45 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 金剛石簡介 金剛石俗稱 “ 金剛鉆 ”， 也就是我們常說的 鉆石 ，它是一種由純碳組成的 礦物 。實驗分為兩個部分進行研究：（ 1）實驗摸索階段：通過合成不摻加硫的金剛石確定實驗條件，最終確定實驗條件為，壓力： ，晶床和 堵頭尺寸： 6mm 和 7mm；（ 2）摻硫金剛石合成階段：在第一階段設(shè)置的實驗條件下，將不同比例的硫粉摻入金剛石合成體系中，合成金剛石。實驗通過設(shè)置摻硫梯度，研究了不同含量的硫?qū)饎偸铣傻挠绊憽?high temperature and high pressure。在巴西的卡邦納多中碳的組成與其他所有種類很不相同，它們中的 C12／ C13在 91． 54~91． 56 的范圍內(nèi)變化。 金剛石是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ， 每個碳原子 形成 4 個共價鍵，任意抽出 2 個共價 鍵，每兩個單鍵 歸 兩個六元環(huán) 所有 ，而不是只歸一個六元環(huán) 所有 。由于 金剛石 中的 CC 鍵很強，所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成，沒有 自由電子 ，所以 金剛石 不僅硬度大， 熔點 高，而且不導(dǎo)電。在真空中當(dāng)溫度達到 7008000C 時，則從金剛石表面開始石墨化。金剛石的推廣應(yīng)用在光學(xué)玻璃冷加工、地質(zhì)鉆探、陶瓷、汽車零件等機械加工，金屬拉絲等方面引起了個革命 性的工藝改革。用電子顯微鏡可以觀察到氮是以小片狀體存在于金剛石晶體中，這些氮的小片狀體影響了紫外和紅外光譜的吸收，降低了熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)，但另一方面卻能使金剛石的機械強度提高，大約有 98%的天然金剛石是屬于這一類型的。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 6 金剛石的成因 根據(jù)人們對天然的和人造的金剛石實驗資料說明，金剛石是在極高的溫度 (1200— 25000C)或以壓力 (4— 6 萬個大氣壓 )下，從深層 (約地下 60—100 公里 )的超基性巖 (特別是金伯利巖 )中產(chǎn)生的。由于地殼的運動，才能將地下 60— 100 公里處的巖體抬升到近地表，又由于風(fēng)化剝蝕作用，那里面的金剛石才能分離出來，被人們在河流中或砂礫中發(fā)現(xiàn)。金剛石的地質(zhì)勘查工作始于 20 世紀(jì)50 年 代。已知含金剛石的巖漿巖有金伯利巖、 鉀鎂煌斑巖 和橄欖巖 3 種，其中金伯利巖型和鉀鎂煌斑巖型具有工業(yè)意義。 1990年，該公司用大晶種方法生長出 9carats（ 12mmacross）金剛石大單晶，生長速度提高到 15mg/h，見圖 ； 1996 年， Debeer 公司用 1000h 合成出25carat 優(yōu)質(zhì) Ib 型金剛石單晶。國外的金剛石合成技術(shù)發(fā)展迅速，金剛石的生產(chǎn)已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化階段。只有確定了金剛石生產(chǎn)的 一般規(guī)律，才能準(zhǔn)確的確定實驗的組裝，所以，本章就金剛石的合成理論進行分析和研究。因而，在遵守基本規(guī)律的同時，如何控制生長速度，是獲得優(yōu)質(zhì)金剛石的最根本保證。 碳原子的活化需要能量，在一定的溫度范圍內(nèi)，升高溫度，可以提高活化速度，同時活化碳原子濃度也大大提高。壓力河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 12 的增大，同時也增大了活化原子的勢能，使活化的碳原子易于結(jié)合，即增大壓力可以增大碳原子堆積金剛石晶體的速度。 金剛石生長速度的分區(qū)及分析 根據(jù)生長速度與堆積速度、熔蝕速度及活化速度的關(guān)系，得到一定壓力條件下速度 V 與溫度 T 的變化曲線示意圖（如圖 21），根據(jù)曲線特性與晶體的關(guān)系分六個區(qū)。這時碳原子堆積迅速，熔蝕也非?？?，晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺損及雜質(zhì)由于熔蝕速度的加快而大部分被熔蝕掉。 高溫高壓技術(shù) 盡管常壓下十分穩(wěn)定，但金剛石在常壓下是碳的亞穩(wěn)態(tài)存在形式。這兩個問題都隨著 GE 公司早期開發(fā)的溫度梯度法迎刃而解，溫度梯度法到目前為止仍是合成尺寸 1mm 以上的寶石級金剛石單晶的最有效方法。 既然合成周期長，為了合成優(yōu)質(zhì)晶體，就要求生長條件要做到長時間穩(wěn)定，因為晶體的生長形貌以及雜質(zhì)的分布狀態(tài)等會隨著生長條件（尤其是溫度）的細微變動而敏感變化。在工業(yè)生產(chǎn)中運用的穩(wěn)定工藝，是經(jīng)過長時間研究確認的，穩(wěn)定性 、重復(fù)性好，因而企業(yè)能夠采用同樣的設(shè)備、同樣的組裝和同樣的原材料。 溫度控制與功率控制 壓力恒定不變后，工藝控制的內(nèi)容就只有調(diào)整溫度。由于每塊組裝電阻的不同，即使加熱功率相同，石墨管發(fā)熱產(chǎn)生的溫度也會不同。 功率控制的結(jié)果，就是功率和電阻配合在腔體內(nèi)產(chǎn)生同樣的溫度和溫度變化。 原材料 傳壓介質(zhì) ——葉蠟石和白云石 （ 1）葉 蠟 石 葉蠟石屬 1:1 型層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，四面體片和八面體內(nèi)的類質(zhì)同像替代非常有限，化學(xué)組成基本穩(wěn)定不變，結(jié)構(gòu)電荷可以忽略不計，結(jié)構(gòu)單元層之間的作用力非常弱 ， 在剪切力作用下優(yōu)先沿（ 001）面滑動，在壓力作用下具有較好的塑性物變特性和較好的固體傳壓特性。 圖 31 葉臘石塊及其內(nèi)部組裝 （ 2）白云石 白云石就是彌補葉蠟石缺點的重要礦物。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 22 石墨 當(dāng)使用石墨棒車制的石墨管時，由于石墨棒制作中工藝上的原因，可能會造成不同批次的石墨棒的在電阻率上的差異，因此導(dǎo)致了實驗在重復(fù)性上的不足，并且在石墨棒中還可能會有一定的缺陷存在，從而在一定程度上影響了熱源材質(zhì)的均一性。但就現(xiàn)在的形勢 來看，發(fā)展鐵基觸媒是大勢所趨，因為其低廉的成本。 （ 3）絕緣管的加工：原料同上，油壓機壓力降至 1Mp，稱取適當(dāng)量的混合料，利用壓環(huán)模具，壓制成所需環(huán)狀樣品。 實驗設(shè)備介紹 金剛石合成的實驗設(shè)備主要是是六面頂液壓機。這種高壓設(shè)備造價低廉，維護簡單，可以在粗放的環(huán)境中使用。 （ 4）壓力 控制系統(tǒng)：優(yōu)質(zhì)金剛石單晶的合成，對于壓機的保壓性能要求很高，而我們所用的六面頂壓機液壓部很容易泄漏油液，所以需要經(jīng)常補壓。 綜上所述，這種六面頂壓機壓力大、負荷適中、加熱部工作穩(wěn)定，是一代功能較好的合成超硬材料的設(shè)備。 實驗組裝問題屬于工藝的重點問題，由于組裝體積小巧而蘊含豐富，并且可操作性極強，給科研人員極大的發(fā)揮空間，因此科研人員對組裝的研究從來都沒有間斷過。今天我用到的白云石襯管葉蠟石塊，已經(jīng)過長時間的發(fā)展，性能成熟。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文 29 實驗中，導(dǎo)電鋼帽是碗型，碗內(nèi)填充了白云石，碗底接觸錘面，碗口面向柱形腔體，與金屬片接觸而向內(nèi)傳導(dǎo)電流，這個構(gòu)件符合上述要求。若采用不同的腔體，那么，晶床的直徑會隨之變化；若想小幅度改動合成溫度和溫度梯度，改變晶床的高度就可以實現(xiàn)目的。 （ 2）實驗階段 確定好了晶床和堵頭，我們便開始實驗了。處于周期表的第三周期， 3d 軌道與 3s、 3p軌道的能級相近， d 軌 道在一定的條件下也可參與成鍵，因此硫原子在形成化合物時，鍵價特征如下： （ 1） 能從電負性小的原子接受 2個電子，形成含有 S2離子型硫化物，如硫化鈉、硫化鉀?；鹕街車赜虻奶烊涣颍哉涣虻男问酱嬖?。 本次實驗選用的觸媒是 FeNiCo 和 NiMnCo 合金，摻硫?qū)嶒炦^程中我們