高温高压下不同铁基触媒对Ⅱa型培育钻石的影响及机理研究

本文对不同铁基触媒在高温高压下合成Ⅱa型培育钻石的影响和机理进行了研究。结果表明,FeAl-C触媒体系的优晶率为72.2%,周产量为25.61 ct(1 ct=0.2 g),平均单颗质量为1.19 ct;FeCo-C触媒体系周产量是44.37 ct,平均单颗质量为2.11 ct,优晶率为36.8%,晶体缺陷更多。利用扫描电子显微镜、能谱仪和电子背散射衍射等表征手段,揭示了FeAl和FeCo两种触媒因结构差异对培育钻石生长过程中的作用机理。研究发现,FeAl触媒中Al的平均质量分数为4.86%,Fe的平均质量分数为95.14%;FeCo触媒中Co的平均质量分数为37.33%,Fe的平均质量分数为62.67%,金属间的固溶性差别导致相分布和晶粒取向不同。FeAl触媒晶粒粗大均匀且取向统一,形成的单相结构和单一织构在增强触媒选择性时降低了催化活性,使得碳素在晶种表面上的均匀转移和析出,促进形成高品质晶体,但也导致FeAl体系产量较低。FeCo触媒晶粒细小但不均一,内含的多固溶相及多重织构提高了触媒催化活性,晶体生长速度加快,产量较高。选择性降低,使得碳素在晶种表面上的转移和析出过程较为复杂,形貌不稳定,易产生更多晶体缺陷。

铁基触媒中的初生渗碳体与金刚石单晶的合成

本文利用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪研究了金刚石合成后的铁基触媒组织结构。结果表明,组织中有较多的初生渗碳体时,金刚石的质量好,产量高;反之,则质量差,数量少。分析表明:触媒从高温液态到室温固态经历了初生渗碳体的析出、长大和共晶凝固两个过程,高温高压下金刚石的形核与长大是在触媒熔液经历初生渗碳体阶段时形成的。金刚石的生长极有可能是通过初生渗碳体的分解实现的,碳原子集团从渗碳体脱溶,然后堆积到金刚石上。本文从冶金反应过程证明了金刚石是由初生渗碳体转变而来的。

铁基触媒中金刚石单晶的生长对初生渗碳体的消耗

利用扫描电子显微镜观察了不同合成时间的金刚石合成效果以及相应触媒的组织结构,结果表明:随着压力、温度的升高,铁基触媒全部熔化为液态后约20秒内,熔体对碳的溶解度可达到极大的过饱和程度,生成数量极大的初生渗碳体,同时,金刚石单晶在这种环境中生成。随着时间的延长,金刚石单晶长大、数量增多,熔体对碳的过饱和程度逐渐降低。触媒组织中的初生渗碳体量逐渐减少。分析表明:石墨碳与触媒首先发生冶金反应生成初生渗碳体,在高温高压作用下,初生渗碳体分解,碳原子脱溶,然后堆积到金刚石上。金刚石的生长通过对初生渗碳体的消耗得以进行。

铁基触媒合成含硼金刚石单晶颗粒的电阻-温度特性

以铁基合金掺入硼铁粉为触媒剂,石墨为碳源,在高温高压条件下合成含硼金刚石。光学显微镜和Ram an散射仪观察了金刚石的表面形貌与晶体结构。用自制的电阻-温度测量仪对金刚石进行电阻-温度曲线进行测量,结果表明,随着温度升高,电阻逐渐降低,证明该金刚石具有负的电阻温度系数;继续升温,金刚石内的杂质发生电离,当杂质全部电离时,金刚石处于半导体的饱和区;温度进一步升高,金刚石进入本征电离区。

铁基触媒合成金刚石的压力功率动态匹配工艺研究

理论分析和生产实践都证明,在高温高压合成金刚石过程中合成腔体的压力和温度随着合成时间的延长而不断变化,即金刚石生长的工作点是漂移的.为避免合成腔体压力与温度的波动,为金刚石晶体的生长提供一个相对稳定的条件,应抑制工作点的漂移,主要的措施是采用非恒压力加压和非恒功率加热.使用粉末冶金铁基触媒进行了压力与功率动态匹配的金刚石合成工艺初探.实验发现,采用新工艺合成出的金刚石产量大,粒度粗,晶型好,机械性能高,主要性能指标均超过机械行业标准《人造金刚石技术条件》(JB/T7989-1997)对锯片级金刚石的技术要求,评级可在SMD30以上.

金刚石单晶合成工艺与铁基触媒中初生Fe_3C形貌的关系

利用光学显微镜和X射线衍射等手段,表征了高温高压下合成金刚石单晶时不同合成工艺的铁基触媒合金组织结构。结果发现:金刚石合成效果较好时的触媒组织中Fe3C呈规则的条状,而合成效果不好时的触媒组织中局部出现了不规则的团絮状Fe3C。分析认为,Fe3C在不同的结晶条件下表现出不同的生长行为,高温高压下金刚石单晶的生长与触媒中Fe3C的生长行为有密切关系。

合成时间对粉末冶金铁基触媒合成金刚石的影响

通过对不同合成时间下合成出的金刚石各项性能指标的检测,讨论合成时间对粉末冶金铁基触媒合成金刚石效果的影响。试验发现,随着合成时间的延长,金刚石的各项性能指标均有不同程度的提高,而且,平均单产、粒度分布和晶体形态还出现了一种V型的变化趋势。

添加剂铜对铁基触媒合成金刚石的影响

以铁、镍单质金属粉和适量的电解铜粉为原料,采用粉末冶金方法制备规格为15×0.5 mm的片状铁基触媒,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶。通过分析金刚石的产量、形貌、粒度与晶形分布、静压强度、冲击韧性、磁化率以及热稳定性等,探讨添加剂铜对铁基触媒合成金刚石的影响。实验发现,在铁基触媒中添加适量的铜粉可以有效地控制金刚石的成核数量和生长速率,使得粒度增粗,晶体完整度增加,杂质与包裹体的数量减少,纯净度提高。相应的,金刚石的主要性能指标均高于普通金刚石,超过SMD25锯片级金刚石性能要求。

针对铁基触媒的金刚石提纯工艺研究

采用片状粉末冶金铁基触媒合成金刚石,金属包覆膜的脆性极大,打开合成压块之后,金刚石颗粒会裸露在断面上;同时由于铁基触媒磁性较大,在磁场作用下易于分离;从而为采用机械及物理方法提纯金刚石提供了可能。针对上述特点,提出了一种针对铁基触媒的机械式提纯金刚石的新方法。试验证明,这种新方法工艺简单,易于操作,成本低廉,金刚石提纯效率较高,损失较少。同时也为推广应用粉末冶金铁基触媒和逐步解决金刚石行业因电化学或化学方法提纯带来的环境污染问题提出了新的技术思路。

碳片厚度及合成时间对铁基触媒合成金刚石的影响

本文采用粉末冶金铁基触媒合成金刚石，匹配不同厚度的碳片以及采用不同的合成时间，探讨碳片厚度及合成时间对金刚石合成效果的影响。实验发现，适当增加碳片与触媒的厚度比和延长合成时间可以使金刚石的单产率、粒度、晶形和抗压强度等各项性能指标有所提高。

金刚石单晶合成效果与合成后铁基触媒组织的相关性研究

采用粉末冶金法制备铁基触媒片,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶。利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征了不同成分的触媒以及同一触媒在不同合成时间条件下金刚石单晶的合成质量和合成后的铁基触媒组织。结果表明:当金刚石单晶合成质量较好时,合成后铁基触媒组织特征表现为初生板条状渗碳体分布较均匀,呈平行生长的条束,渗碳体的板条两边缘较平直,而且数量较多。触媒成分和合成时间是影响铁基触媒组织中初生渗碳体的数量和形态的主要因素。

铁基触媒的组织结构对合成金刚石的影响

采用粉末冶金铁基触媒在六面顶压机上高温高压合成金刚石。使用高性能金相显微镜,扫描电子显微镜和X射线衍射仪对合成之后触媒的组织结构进行系统的表征。试验发现,触媒组织主要由粗大的板条状初生渗碳体和细密的共晶莱氏体构成;金刚石生长效果不好时,触媒组织中夹杂有团絮状石墨。分析认为,初生渗碳体极有可能就是金刚石生长的直接碳源,即高温高压下溶解于触媒熔体的石墨首先与触媒合金形成碳化物,在触媒的催化作用下,碳原子自渗碳体脱溶,沉积到金刚石表面,完成金刚石的生长。

铁基触媒合成金刚石单晶的表观活化能计算

采用粉末冶金方法制成铁基片状触媒,以及在铁基触媒中添加碳化硼粉,通过高温高压方法制得常规金刚石单晶和含硼金刚石单晶。根据测定的DTA实验数据,利用K iss inger和O zaw a动力学模型分别计算了两种金刚石单晶剧烈氧化时的表观活化能。结果表明,含硼金刚石单晶的表观活化能明显高于常规金刚石单晶,因而具有更高的热稳定性。而两种动力学模型的计算结果相近,证明计算的表观活化能数值基本可信。

金属包膜的结构与铁基触媒合成金刚石的生长

利用透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）研究了金属包膜的微观结构和表面形貌.结果表明,石墨在包膜内完成了结构的转变,但不是金刚石结构;在靠近金刚石的内层包膜内发现γ-（Fe,Ni）的（111）晶面与Fe3C的（100）晶面平行;包膜表面有锯齿状的AFM形貌,这与所对应的金刚石表面形貌相吻合.结合上述的平行关系和锯齿状形貌分析认为,Fe3C可能在金刚石生长过程中是一过渡相,γ-（Fe,Ni）吸引层状碳原子集团从Fe3C中脱溶,然后堆积在金刚石上.

铁基触媒中碳化硼含量对含硼金刚石单晶表观活化能的影响

通过在铁基触媒中添加适量的碳化硼,制备出了具有不同硼含量的含硼金刚石单晶。利用差热分析仪,测量了含硼金刚石单晶的差热和热重。采用Kissinger方法,计算了含硼金刚石单晶在加热过程中发生氧化反应的表观活化能,对比分析掺硼量对含硼金刚石单晶热稳定性的影响。结果表明:差热和热重测量值与表观活化能计算值的变化规律基本一致;随着掺硼量的增加,含硼金刚石单晶的热稳定性先提高后降低,剧烈氧化时表观活化能随着掺硼量的增加而减小。

用铁基粉末触媒合成金刚石的研究

本文利用五种铁基粉末触媒 (FeNiXn,n =1,2 ,3 ,4,5Xn代表Fe在触媒中的含量 ,Xn>Xn -1)在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验 ,研究了高温高压条件下 (～ 5 4GPa ,～ 14 0 0℃ ) ,铁基粉末触媒随铁含量的改变 ,石墨碳-铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的生长特性 ,利用穆斯堡尔谱对金刚石中铁元素形成的包裹体进行了检测。结果表明 ,随着铁基粉末触媒中铁含量的增加 ,合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高 ,金刚石生长的“V形区”上移 ,同时得出了铁基粉末触媒适合高温区 ( 110 )和 ( 111)面生长以及金刚石中铁元素以FeNi和Fe3

高压水雾化金刚石铁基触媒粉的工艺研究

采用典型检验和统计分析的方法研究了FeNi30高压水雾化金刚石触媒粉的形貌、氧含量、粒度与粒度组成及合成效果。结果表明,粉末为近球形颗粒,-200目产出率为68.2%。由于原有高压水雾化金刚石触媒粉的氧含量较高,不能直接在合成金刚石中使用。水雾化的触媒粉通过1 000℃,真空10-2Pa,6 h高温真空脱氧处理,触媒粉中氧的质量分数降到200×10-6～500×10-6,满足合成金刚石的要求。Φ38 mm腔体批量合成的单产达50～87 carat,粒度35/60目的金刚石粉达到46.5%至82.5%。粒度为-250目的触媒合成的金刚石品质较好,但与气雾化金刚石触媒粉相比,粒度还较粗,因此还需要不断改进雾化装置和雾化工艺,不断提高触媒粉成品率和品质。

铁基粉末触媒合成金刚石

本文利用六种铁基粉末触媒(FeNiXn,n=0,1,2,3,4,5 Xn代表Fe在触媒中的含量,Xn>Xn-1)在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验,研究了高温高压条件下(～6 GPa,～1600℃),铁基粉末触媒随铁含量的改变,石墨碳—铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的生长特性,利用穆斯堡尔谱对金刚石中铁元素形成的包裹体进行了检测.结果表明,随着铁基粉末触媒中铁含量的增加,合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高,金刚石生长的"V形区"上移,同时得出了铁基粉末触媒适合高温区(110)和(111)面生长以及金刚石中铁元素以FeNi和Fe3C形式存在的结论.

含硼触媒对合成的金刚石晶体结构和热稳定性的影响

人造金刚石的热稳定性越来越受到金刚石生产者和使用者的重视,成为国际上评价金刚石内在质量和性能好坏的重要指标。本文在铁基触媒的基础上加入不同含量的硼铁粉,用静压法合成了含硼金刚石。利用光学显微镜、X射线衍射仪和差热分析仪对不同金刚石的晶形、晶体结构和抗氧化性能进行了研究,并与同样工艺条件下合成的不含硼金刚石进行对比,对某些实验现象做了讨论。实验证明,这种方法能够得到抗氧化性好的金刚石,而且生产成本低、操作方便,便于推广。

触媒组织中碳化物的含量与金刚石的生长

采用粉末冶金铁基触媒在六面顶压机上高温高压合成金刚石。试验表明,在相同的工艺条件下,由于合成腔体温度和压力梯度的存在,压块不同断面上的合成效果存在明显差异。使用X射线衍射(XRD)和电子探针分析(EPMA)对不同断面上的触媒物相与成分进行了检测。结果发现,金刚石形核量较多,分布均匀,且晶形完整的触媒中存在大量碳化物;触媒中夹杂有原始石墨,碳化物形成不充分,则金刚石形核量较少。分析认为,触媒中的碳化物应该才是高温高压下金刚石生长的直接碳源。触媒熔体充分溶解石墨,碳化物充分形成对于提高金刚石的产量和质量是必需的。