人造金刚石的探究1金刚石概况BriefIntroduction俗称钻石，是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的原子晶体。金刚石具有极强的化学惰性和优良的半导体性能、是目前自然界中存在的导热性能最好、透光波段最宽、声速传播速度最快、硬度最大的材料。金刚石由于其优异的性能,金刚石在工业,国防，科研，医疗等领域都有广泛的用途,常被用于制作高硬切割工具、精细研磨材料、半导体材料以及光学材料等。但是，据美国地质调查局统计,2014年世界工业级金刚石仅储量为7.3亿ct（1ct=200mg），金刚石的稀有度极大地限制了金刚石在工业的广泛应用。而这，也激发了一代又一代的科研工作者对人造金刚石的合成进行了广泛而又深刻的探究。2人造金刚石的方法PrinciplesoftheIndustrial高温高压法(HPHT)化学气相沉积法（CVD)常用方法动态高压法静态高压法一.动态高压法科学家们从陨石高速坠落时冲击波作用于其中的石墨可产生金刚石得到启发，利用动态高压法将石墨碳转变为碳在超高温超高压下的稳定相——金刚石即用爆轰法或冲击波法,在瞬间(10-6s量级)达到金刚石热力学稳定区(3500K，20GPa),从而使部分碳实现了向金刚石的相变。右图即为爆炸法制金刚石的简易装置当然，此种方法得到的金刚石往往含有较多的杂质，需要进行复杂的分离与提纯操作二.静态高压法（晶体触媒法）与动态高压法相比，静态高压法指在相对较长的时间内,合成温度、压力都保持相对稳定,进而实现金刚石的可控生长。碳源，触媒和籽晶是此装置的基本组成部分。碳源处在高温端，籽晶置于低温端，碳源和籽晶之间为触媒。在一定的压力（5~6GPa）和温度（1300~1400℃）下，石墨转化为金刚石并溶解于触媒中，由于触媒各部位温度不同而导致金刚石在触媒中的溶解度不同，金刚石将由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散，扩散下来的碳源直接在籽晶表面上以金刚石的形态外延析出生长。。在这个过程中，触媒起催化与溶剂作用。要知道，一般石墨在10GPa，3000℃左右才可以转变成金刚石，但如果加有触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5.4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。三.化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法法是在真空高温（或放电）条件下，激活提供的碳基气体(如甲烷)，使之分解出碳原子和甲基原子等活性粒子，碳原子在甲基和氢原子的作用下在选定的基片上沉积生长出金刚石薄膜CVD法制金刚石可用热丝（如钨丝）提供高温环境（如左图）。热丝法制金刚石所需的高温环境设备简单，工艺条件较易控制，合成的成本也比较低。与HPHT法相比,CVD法的最大的优点在于，金刚石纯度高。在HPHT法中,金刚石在熔融的触媒里面生长,构成触媒的金属原子或多或少会进入金刚石晶格3工业现状AboutChina如今，我国最常采用温度梯度法合成金刚石，使用SDP6X1200型六面顶压机提供高温高压环境,温度梯度法生长金刚石单晶的典型组装示意图如右图。碳源为人造高纯石墨,置于腔体高温端;籽晶为高品级单晶,高纯NiMnCo合金触媒置于碳源和籽晶之间（压力控制在5.5GPa,温度1200~1300e,合成速度约控制在1.0mg/h）目前，我国人造金刚石年产量已达到150亿克拉以上，占世界总产量的90%以上，立方氮化硼的年产量也达到3.5亿克拉以上，占世界总产量的近70%，我国已成为世界人造金刚石生产大国。右图为2013年美国进口金刚石数目。那么我国是用什么方法合成金刚石的呢？我国自主研发的六面顶压机设备具有有结构简单、操作及维护方便、使用要求不高及易于推广、投资小等优点。存在缺点：1.晶体生长速度较慢，周期较长2.需长时间维持设备温度温差与压力条件3.由于六面顶压机结构上的原因，扩大腔体较为困难。但采用这种较为简单的设备也存在一些不足之处。最为关键的是，我国当前生产总量大，但技术水平普遍不高，缺乏系列性产品，部分产品的质量稳定性差，难以满足用户高端使用的需求。4参考文献与致谢ReferenceandThanks[1]史美超,程雅军,侯国栋,吴超,张波,孙军军.金刚石人工合成进展[J].辽宁化工,2013,42(10):1198-1199+1202[2]刘陟娜,许虹,王秋舒,陈梅.全球金刚石资源分布现状及我国勘查开发建议[J].中国矿业,2016,25(07):5-10.[3]张书达.动压...
