科研创新训练过程记录1

科研创新训练过程记录1接触角与杨氏方程

人造金刚石具有硬度高、耐磨性好、导热性能优异、化学稳定性强、低热膨胀系数等特点,已被广泛应用于磨削、修整及钻探等工具、光学窗口材料、电极材料、生物传感器、量子信息计算与处理、航空、航天、国防等领域。人造金刚石作为修整和磨削工具制作的主要材料之一,其锋利度和耐磨度直接决定了制成工具的应用性能。普通金刚石因晶型一致性差，尖角不凸出，且棱角强度较低，造成了所制成的修整和磨削工具的锋利度和耐磨度较差。八面体金刚石作为一种新型的超硬材料产品，因其具有较好的晶型一致性和较高的晶面强度，从而具有锋利度高，耐磨性好等特点，能够显著提高相关产品性能，适于高精、高效修整和磨削领域的应用。该类金刚石具有广阔的发展空间和应用前景，市场潜力巨大。但目前，这种八面体金刚石的制取只能采用大幅提高合成温度的方法，该方法制取的八面体金刚石不仅表面烧蚀严重，且得出率低（一般在5%以下），成本较高，难以满足工业生产的实际应用。

为了解决上述问题,本研究通过优化触媒配方,添加新型催化剂,设计新型合成工艺，促进了金刚石晶面的形成,制备出了具有完整晶面的八面体金刚石单晶。该研究有效解决了八面体金刚石的优质合成问题，有力促进了八面体金刚石的广泛应用。

01实验条件与过程实验设备及原材料采用的高温高压合成设备为6×42MN六面顶压机。采用的主要原材料有：触媒粉NixFey，为200目的镍基触媒;石墨粉，天然鳞片状石墨,纯度99.99%,灰分在30ppm以下，粒度为300目;母粉C，为碳化物、Co、叠氮化钠及稀土元素的一种或几种组合；添加剂,纯度均为99.99%以上,粒度为300目；微量催化添加剂T，为Al，La，B4C的一种或几种，且其纯度均在99.99%以上。

合成柱的制备将高纯鳞片状石墨粉与Ni基触媒粉按质量比1:1配混，再加入母粉（母粉添加量为石墨质量的0.3%～0.8%）、催化添加剂（为触媒质量的0.01%～0.30%）在三维混料机上混合10h。后经等静压、造粒,压制成一定尺寸的合成柱。合成柱装入真空还原炉采用阶梯式还原工艺进行还原，还原温度范围：1150～1200℃,还原时间不低于6h，还原后的合成柱真空封装备用。

合成块的设计及组装根据八面体金刚石生长特性要求，本研究设计了具有较好传压和保温的新型叶蜡石复合块和高保温导电堵头构成的新型合成腔体，以进一步减少热量散失，改善合成腔体温度均匀性，从而确保八面体金刚石的优质生长。

合成块组装附件有叶蜡石复合块、高保温堵头、加热管、片、铁杯、绝缘杯、保温管等,各附件在使用前均进行高温烘烤处理，组装结构如图1所示。

高温高压合成工艺图2为V型区内金刚石晶型生长特性图，其中a为六面体区，b为六-八面体区，c为八面体区。从图2中可以看出：普通六-八面体金刚石控制区域主要集中在靠近中间的b区域，而八面体金刚石控制区域则在金刚石晶型生长区的右侧位置，且合成范围较窄。如何使八面体金刚石生长保持在这一区域是实现八面体金刚石有效合成的关键。

本研究通过合金配方设计，同时添加微量元素调整溶媒温度及触媒合金的活化能，以促进金刚石面的生长，形成八面体晶型。图3为八面体金刚石合成工艺曲线示意图。设计采用两次升压和一次降温+后期功率平台合成工艺，以提高其合成粒度的集中度，同时还可以通过调节合金配方实现金刚石的粒度控制。本实验采用Φ700mm缸径压机，Φ50mm腔体，合成工艺总时间为5400s，暂停压力（表显数）60MPa，合成功率（表数显）8.0kW，合成温度控制在1390-1410℃。

本工艺曲线可分为预热阶段a，成核阶段b，生长阶段c等3个部分，从工艺曲线可以看出，在工艺前期预热阶段，温度和压力均保持一段时间，以保证石墨触媒的充分溶渗。二次超压进入成核阶段，同步设定功降以促进金刚石的集中形核，提高粒度集中度。在生长过程中：为维持生长在V型区八面体金刚石区域内，则需要给予充足的压力和温度以确保金刚石的优质生长和晶型转变；设定采用压力递增和功率保持的方式来保持八面体金刚石生长的稳定控制，同时有效弥补叶腊石及其他附件因相变导致的保温和传压性能下降。实践证明：采用该工艺制备的八面体金刚石分布均匀，粒度集中，颜色黄、晶型完整一致，连聚晶较少。

2实验结果与分析形成机理分析静压触媒法合成金刚石的过程是一个复杂多相系统的物理化学过程，其合成机理存在多种学说，其中具有代表性的有固相转变学说、溶剂学说以及溶剂-催化学说。根据溶剂-催化学说中的薄膜催化机理可知，金属催化薄膜降低了金刚石和金属之间的界面能，同时也降低了石墨向金刚石转化的活化能。

普通金刚石制备：原材料选用Fe基触媒、高纯石墨和母粉，采用二次增压和功率慢降工艺，生长区间为图2中的b区域，制备出晶型以六-八面体为主的普通金刚石。和普通金刚石制备相比，八面体金刚石选用Ni基触媒，在母粉中增加了Co、叠氮化钠及稀土元素等物质，并加入Al，La，B4C等微量催化添加剂，以此改变溶媒温度及触媒合金的活化能，从而提高了（100）晶面的生长速率，有效保留了（111）晶面，制备出了八面体金刚石；并通过优化合成腔体及工艺设计控制八面体金刚石在晶型区内的稳定生长，生产出晶型完整一致、磁化率低、尖角强度高的八面体金刚石单晶。

晶体结构通过RenishawinVia激光共聚焦显微拉曼光谱仪对普通金刚石与八面体金刚石进行了拉曼检测,检测结果见图4。

在拉曼光谱图中,我们发现无缺陷纯净的金刚石有特定的本征峰,且其本征峰位于1332.5cm-1处。人造金刚石在合成过程中,由于使用触媒等必要的添加剂,使得合成出来的金刚石内部多少都会含有杂质并产生畸变,这时金刚石的本征峰位就会偏离1332.5cm-1处。从图4中可看出：普通金刚石与八面体金刚石一级特征峰均接近1332.5cm-1,晶体中碳原子的杂化类型均为sp3杂化。八面体金刚石较普通金刚石更接近纯净金刚石的本征峰，证明八面体金刚石具有更高的纯净度。

晶体形貌分析1晶体形貌显微镜表征使用体视光学显微镜观察20/25粒度的普通金刚石与八面体金刚石，其形貌图如图5所示。

通过对比发现，八面体金刚石具有明显的表面形貌特征，各晶面为完整的晶面，金刚石表面光滑平整，棱角分明，晶型一致，颜色黄亮，纯净度高。

2扫描电子显微镜表征采用Phenom台式扫描电子显微镜对两种金刚石的表面形貌进行对比观测。结果如图6和图7所示。图6a和图6b分别为普通金刚石单晶和八面体金刚石单晶的扫描电镜照片；图7a和图7b分别为普通金刚石单晶和八面体金刚石单晶进一步放大后的扫描电镜照片。

金刚石单晶体各向异性，根据金刚石面网密度，其硬度由（111）＞（110）＞（100）。从两组电镜扫描照片可以看出,普通金刚石为面和面构成的六-八面体晶型，而八面体金刚石则为面构成的八面体晶型。普通金刚石单晶晶面略有不平，个别存在双棱和生长台阶，而八面体金刚石的各晶面光滑，棱角分明，各端尖角突出，这种形貌的金刚石具有较高的强度和锋利性，在使用时定向排列，可大大提高修整和磨削工具的加工精度和寿命。

特性表征目前，国内尚无针对这种特定八面体晶型金刚石的相关检测标准，如采用常规测定方法难以准确表征其产品性能，根据客户实际使用性能要求，从八面体金刚石尖端特性、磁化率方面对其性能进行了表征。

1八面体金刚石尖端特性为进一步量化八面体金刚石单晶尖端特性，选取20/25粒度八面体金刚石，利用Phenom台式扫描电子显微镜对其局部结构进行了细致表征。结果如图8所示。图8a和图8c为八面体金刚石单晶的扫描电镜照片；图8b和图8d为八面体金刚石单晶局部尖端长轴长度的扫描电镜测量照片。

图8中对其尖端小平面（一般长短轴不等）长轴长度进行了测量表征：从20/25粒度(平均粒径800-900μm)测量可以看出，其尖端小平面长轴为15-18μm，具有较好的尖端特性。

2磁化率使用郑州磨料磨具磨削研究所的JCC-B型金刚石磁化率测定仪测定其磁化率,选用粒度为70/80的普通圆晶金刚石与八面体金刚石各6批,每批1万克拉,并求出磁化率平均值,如表1所示。

从磁化率测定结果表1可以看出,八面体金刚石磁化率平均值降低了1.8×10-5SI，降幅达65%以上，远远低于普通圆晶金刚石的。金刚石的磁化率由其内部金属杂质引起,这类杂质越多,金刚石的磁性则越强。由此表明,八面体金刚石内部杂质远远少于普通圆晶金刚石的。

3应用评价选择市场上普通金刚石和八面体金刚石制备成相同规格尺寸的金刚石修整笔a、b，如图9所示，将金刚石修整笔a、b进行修整对比试验。所用金刚石单颗重量均为0.1克拉。

以磨削20CrMnTi合金渗碳钢直齿圆柱齿轮的白刚玉砂轮为修整对象，在高精度磨齿机上进行修整试验，白刚玉砂轮参数为PSX400×100×203C120P5V50，磨削方式为精磨，要求粗糙度为Ra0.4μm以下。

本文中修整效率指单次修整白刚玉砂轮所需的时间，寿命为单个金刚石笔修整白刚玉砂轮的数量。通过上述修整试验得到修整效率和修整数量数据，来对比金刚石修整笔的锋利度和耐磨度，数据如表2所示：

由表2可以看出：八面体金刚石修整笔b的修整效率和表面粗糙度均明显优于普通金刚石修整笔a，表明在修整过程中八面体金刚石具有更高的锋利度；对比使用寿命表明，八面体金刚石是普通金刚石的3.5倍左右，由此表明八面体金刚石具有较高的耐磨度。

4总结1）通过优化触媒配方,添加新型催化剂,设计合成工艺,改进