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用人工方法使非金剛石結構的碳轉變為金剛石結構的碳,並且通過成核和生長形成單晶和多晶金剛石,或把細粒金剛石在高壓高溫下燒結成多晶金剛石。這是高壓研究目前在生產上得到應用的一個重要實例。

1 人造金剛石 -人造金剛石

2 人造金剛石 -正文

  用人工方法使非金剛石結構的碳轉變為金剛石結構的碳,並且通過成核和生長形成單晶和多晶金剛石,或把細粒金剛石在高壓高溫下燒結成多晶金剛石。這是高壓研究目前在生產上得到應用的一個重要實例。
  從熱力學觀點出發,決定石墨等非金剛石結構的碳質原料能否轉變成金剛石的相變條件是後者的自由能必須小於前者。這種相變過程是在高壓、高溫或者還有其他組分參與的條件下進行的。一定的壓力、溫度和組元濃度等可以使系統的內能發生變化,從而使價電子可處能級的統計權重發生相應的變化。這就可能出現電子轉移和組成新的鍵合狀態的電子結構,即發生了相變。如果系統中能量變化有利於在固體中發生這種電子結構的變化,則高壓高溫相變發生在固態,否則就可能發生在熔態或汽態。在熔體中發生這種變化的條件是,鍵合特徵的價電子分佈的統計權重相應降低,遠程有序的作用趨於消失,原子配位數發生變化;而電子處於激發態的統計權重趨於增大,近程有序作用相應增強。氣體中發生這種變化的條件是,單質原子間或化合物的鍵合分子間的電子能級趨於消失,所有的電子轉移到單原子或分子能級上去,這樣,電子處於激發態的統計權重更為增大。因此,人造金剛石可以在固態,也可在熔態和汽態條件下進行,這取決於壓力、溫度和組元濃度等因素引起系統內能的變化情況。從動力學觀點出發,還要求石墨等碳質原料轉變成金剛石時具有適當的轉變速率。在金剛石成核率和生長速率同時處於極大值時的相變速率最大。
  自18世紀證實了金剛石是由純碳組成的以後,就開始了對人造金剛石的研究,只是在20世紀50年代通過高壓研究和高壓實驗技術的進展,才獲得真正的成功和迅速的發展。目前人造金剛石的具體方法多達十幾種。按所用技術的特點可歸納為靜壓、動壓和低壓等三種方法。按金剛石的形成特點可歸納為直接、熔媒和外延等三類方法。圖表示碳的壓力-溫度(P-T)相圖和三種方法人造金剛石的實驗區。1區為直接法人造金剛石的實驗區,2區為熔媒法人造金剛石的實驗區,3區為外延法人造金剛石的實驗區。

人造金剛石人造金剛石

  直接法  人造金剛石或利用瞬時靜態超高壓高溫技術,或動態超高壓高溫技術,或兩者的混合技術,使石墨等碳質原料從固態或熔融態直接轉變成金剛石,這種方法得到的金剛石是微米尺寸的多晶粉末。
  熔媒法  人造金剛石用靜態超高壓(50~100kb,即5~10GPa) 和高溫(1100~3000°C)技術通過石墨等碳質原料和某些金屬(合金)反應生成金剛石,其典型晶態為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過渡形態。在工業上顯出重要應用價值的主要是靜壓熔媒法。採用這種方法得到的磨料級人造金剛石的產量已超過天然金剛石,有待進一步解決的問題是增大粗粒比,提高轉化率和改善晶體質量。目前正在實驗室中用靜壓熔媒法研究優質大顆粒單晶金剛石的形成。加晶種外延生長法曾得到重1克拉左右的大單晶;用一般試驗技術略加改進后,曾得到2~4毫米左右的晶體。採用這種方法還生長和燒結出大顆粒多晶金剛石,後者在工業上已獲得一定的應用,其關鍵問題在於進一步提高這種多晶金剛石的抗壓強度、抗衝擊強度、耐磨性和耐熱性等綜合性能。
  外延法  人造金剛石是利用熱解和電解某些含碳物質時析出的碳源在金剛石晶種或某些起基底作用的物質上進行外延生長而成的。
  人造金剛石的形成機制  目前主要有下述幾種學說:溶劑學說認為所用金屬(合金)起著碳的溶劑作用;催化學說則認為是一種催化劑;固相轉變學說則強調石墨晶體無需斷鍵解體,經過簡單形變就形成金剛石晶體。但這三種典型學說所提出模型往往同一些主要實驗現象和規律相矛盾。因此,近十年來,出現了溶劑-催化劑、催化劑-溶劑、熔(溶)劑-觸媒(簡稱為熔媒)等學說進一步探討所用金屬(合金)的作用。總的說來,人造金剛石的形成機制目前尚是一個仍在探討中的複雜問題。
  參考書目
 張克從、張樂潓主編:《人造金剛石》,科學出版社,北京,1981。

3 人造金剛石 -中國試製成功人造金剛石

      
人造金剛石中國研製的人造金剛石
1968年7月21日 新華社報道:中國試製成功人造金剛石。第一機械部有關研究單位和工廠在全國許多科研單位和工廠大力支援和協助下,自力更生,試製成功人造金剛石,並投入了生產。人造金剛石是國際上近年來發展起來的新產品,生產這種產品對技術製備要求很高。它的性能與天然金剛石一樣,是現代工業發展不可缺少的東西。世界上只有少數國家才能生產這種人造金剛石。

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