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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

1、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。

2、自然金刚石形成机理


人类*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。关于金刚石生成的温度和压力,依金刚石生成的多期性,即从岩浆早期至岩浆后期,至热液、汽成各阶段都可找到金刚石,说明金刚石晶出的温度、压力范围很宽。

总之高温高压是金刚石形成必不可少的条件。

3、人工合成金刚石原理

众所周知,金刚石与石墨的化学成分相同,都是碳元素的单体,他们之间的转换在理论上是行得通的。

在研究石墨-金刚石的转变过程中,化学家首先考虑到的是热力学圈题,因为热力学问题,因为热力学条件决定了两者之间转变的方向与程度的问题。在一定温度和压力下,热力学常用产物和作用物之间自由能改变的正或负来判别一个反应自动进行的方向。因此自由能大的状态总是向对于自由能小的状态自动进行。在石墨—金刚石的转变过程中,自由能的变化:

△z=z金刚石一z石墨

式中Z石墨表示反应物石墨的自由能,z金刚石表示产物金刚石的自由能若:

(1)△z=z金刚石一z石墨<0。则在反应的温度和压力下,石果能自动地蒋变为金刚石,因为在此条件下,金刚石自由能小于石墨。

(2)△z=z金刚石一z石墨>0。则在此反应的温度和压力下,石墨不能自动地转变为金刚石,因为在此茶件下,金刚石自由能大于石墨。

(3)△z=z金刚石一z石墨=0。则在此反应的温度和压力下。金刚石和石墨具有相等的自由能,两者处于平衡状态。

如上所述,石墨和金刚石的相互转变能否自动进行,主要依赖于外界条件。根据热力学计算的预测,只要适当控制外界茶件,石墨转变为金刚石的反应是能实现的。

4、现代人工合成金刚石技术

(1)静压法人工合成转化

依天然金刚石生成原理,利用专用金刚石压机产生高压,同时加温,在金屑触媒作用下,使石墨转化为金刚石。对此有多种解释,以溶解说居多,即碳被金属触媒溶解,通过渗透、热扩散及活化能转换使被溶解碳以SP3 杂化而形成金刚石。碳被溶解是事实,然而此论点具狭隘性,碳虽能被溶于某些金属( 如Sn等),却并不生长金刚石,这当然要求合成金刚石的触媒金属的晶体结构、电子结构与碳对应,即3d 外层电子不饱合。尽管方法、途径不同,人造金刚石与天然金刚石生成机理有一致性。

(2)气相CVD 法合成金刚石

利用甲烷、乙炔、丙酮等含碳化合物为碳源,在容器内通过热丝、微波、等离子体等方法加热,使其电离分解,由于基板处温度低,活化碳在基板上沉积成金刚石膜,通过热丝与基板间外加直流电场对等离子体的吸引和通入Hz、Ar 或H2、O2气体,调节金刚石膜生长。其本质是典型的碳化物分解,即化合与分解不是同时进行,预先制得碳化物,只需要分解一个过程得到活化碳,它应是负离子碳,中和后得到金刚石膜。如果生长和控制条件改善,有望制得无色透明大单晶金刚石。

自从1963年中国科学家们打破国际封锁和技术断垄,成功地合成出我国**颗人造金刚石,一举成为世 界上为数不多的掌握此项技术的国家之一,人工金刚石行业得到飞速发展。现在我国在宝石级金刚石以及微晶纳米金刚石合成方面取得了很大进展,但与先进国家尚有不少差距,对于纳米金刚石的研究,要向着能满足各工业技术要求的方向发展,企业多引进研发技术人才,尽快使研究成果由实验室阶段向生产力的转变。人造金刚石事业还需大力发展。

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