合成金刚石的碳源-“三高一大”石墨

/合成金刚石的碳源——“三高一大”石墨我们都知道，从理论上说任何形式的碳，只要充足热力学和动力学条件，都可以转化成金刚石，但工业生产中，合成金刚石的碳源材料是石墨，同时石墨还是发热体，在高压腔里还是受压介质。那么石墨都有哪些类型呢？石墨包括天然石墨、定向石墨、等静压石墨、纳米石墨、其他石墨。近年来我国人工合成金刚石重要实行粉末触媒技术，碳源以天然鳞片状石墨为主。我国是天然鳞片状石墨生产大国，石墨资源丰富，储量巨大。天然石墨纯洁者很少，常含有大量其他成分，如SiO2、AI2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO等。用于金刚石合成的天然石墨需具有高石墨化度、高密度、高纯度，行业内称之为“三高”石墨。之后专家学者们又提出了“三高一大”石墨，加添了石墨晶粒大的特性。接下来我们分别简单介绍一下：一、石墨化度石墨化度是指碳素材料的晶体结构接近于理想石墨晶体何种程度的比率，石墨化度视晶体层间的大小而定，是表示晶体完整程度的重要指标。试验证明，石墨化程度越高的样品，在熔融催化剂合金中的溶解度和溶解速度都越大，合成所用时间越短，生成金刚石的产量越多，这是合成金刚石的必要条件。假如石墨材料的石墨化度很低，那么其结晶就不完善，晶格缺陷就会多，很多键合也不坚固，分解就比较简单，石墨向金刚石变化的晶核较多，金刚石晶体长大所需的碳原子不充分，晶体的长大得不到保障，就很难合成出好的金刚石。天然石墨，特别是鳞片状石墨依矿床地域不同其石墨化度有所差异，但其数值均较高。二、密度及气孔率从宏观上说，气孔率是指制品中的空隙，它们是直接影响聚积密度的空隙；从微观上说，气孔率是指结构缺陷，如空的晶格点，也是一种气孔，就是这种气孔缺陷对金刚石结晶有很大的贡献。实践证明，掌控碳源肯定的气孔率就可以掌控金刚石的成核和生长，从而掌控金刚石的合成效果。在金刚石的合成过程中，碳源的密度越低，气孔率越大，开口气孔就越多，碳源与触媒合金的接触面也就越大，石墨与触媒合金相互作用的机会也就越多，分散、溶解速度就越快，从而有利于石墨向金刚石的变化。但并不能说气孔率越大越好，由于适当提高石墨的密度，降低气孔率，能够减缓熔媒渗入石墨的速度，从而有利于掌控金刚石晶体的成核和生长速度，并提高金刚石晶体的强度。在金刚石的合成过程中，高压腔要求压力稳定。假如石墨气孔率太大，高压下引起体积的收缩就大，不利于压力的稳定和金刚石的生长，碳源也易混入空气、水分等有害杂质，也不利于合成工艺的稳定，所以要尽量降低气孔率。三、纯度纯度通常是指碳源材料中的灰分含量。一般认为高纯石墨有助于提高金刚石晶体的生长质量，灰分致使石墨晶体缺陷。在金刚石晶体生长过程中,灰分使触媒合金在石墨中的溶解度受到不同程度的影响，造成金刚石内部气泡或包裹体等晶体缺陷的产生。金刚石静压强度随着灰分的加添有下降的趋势，TTI值也随着灰分的加添而降低。因此普遍认为，生产高品级金刚石，鳞片状石墨灰分含量应掌控在50×10—6以下。四、粒度石墨晶粒越细，分散度越高，则比表面积就越大，从热力学的角度来说就越不稳定。这样分散加快，溶解速度增大，有利于金刚石的变化，所得到的晶粒数量多，但速度过快不利于粗晶粒生长。试验表明，利用超细石墨粉作为碳原材料，在合成金刚石的样品里显现大量的黑色晶体，并且合成晶体的晶型差，具有大量的缺陷。所以，我们应当选择晶粒稍粗一些的碳源石墨，适当降低熔媒中碳的浓度，掌控不均匀成核数量和变化金刚石的速度。老一辈专家学者们在金刚石碳源材料的探讨与讨论中，从原子结构及它们之间的转化机理进行了深入的探究，选择了多种性能各异的碳、石墨材料，进行人工合成金刚石的试验讨论，进一步探明白金刚石碳源材料应当是体积密度高、纯度高、气孔率小、石墨化程度高、石墨晶粒大的“三高一大”石墨。专家们在20世纪70时代初的应用讨论中，又有了独到的发觉和见解，提出了金刚石碳源材料的“三高”特性不能是越高越好。金刚石在高温高压的腔体中成核、生长时，需要有肯定的空间，即晶体“生长空间”理论。因此要求石墨要具有肯定的气孔率