摘要：金刚石具有完整的晶型、强度高、良好的自锐性等特点，成为已知自然界硬度最高的物质。同立方氮化硼、碳化钨、刚玉、石英等硬质材料相比，它的洛氏硬度、显微硬度、莫氏硬度都具第一位。金刚石工具在磨削时，金刚石抵抗损坏的能力表示强度。天然金刚石作为一种稀缺矿产资源，长期以来不能满足人们的生产需求，因此，将廉价的碳转化成金刚石的制备科学与超高压技术便成为广大科研工作者的研究热点。基于此，本文主要对人造金刚石的制备方法及其超高压技术进行分析探讨。
关键词：人造金刚石；制备方法；超高压技术
1、前言
由于地心引力场的存在，导致地球内部处于高温高压状态，其最高压力约为３７０ＧＰａ。地球内部的高温高压环境为矿物质的形成提供了条件，金刚石就是在高温高压环境下形成的。一般认为天然金刚石是在地壳深部７０ｋｍ以下，在５～７ＧＰａ、１２００～１８００℃的自然条件下，由碳转变而成。金刚石具有极其优良的力学、热学、光学、电学以及化学性能，广泛地应用在工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域，需求量较大。
２、人造金刚石的制备方法
２．１高压法
２．１．１静压法
静压法是指利用液压机产生压力，通过固态传压介质的变形产生腔体准静水压，通过电流加热产生腔体高温，从而进行金刚石人工制备的方法。静压法可以随意调节保温和保压时间，可以根据需要控制晶体粒度、质量和晶形等，具有很强的操控性，是目前普遍使用的金刚石人工制备方法。
（１）工业金刚石的人工制备
现今，大规模工业化生产工业金刚石最有效的方法是高温高压下的膜生长法。在膜生长法中，作用在金属膜两侧的温度差可以忽略不计，金刚石的生长驱动力（过剩溶解度）与过剩压成正比，当石墨的浓度趋于过饱和状态时，金刚石成核生长。在金刚石晶体外侧包有一层薄的金属膜，介于金属膜两侧的分别是石墨和金刚石。
在采用膜生长法、利用粉末触媒合成工业金刚石的过程中，关键技术主要有两方面：一是组装与合成工艺的合理匹配，二是原材料的合理选择。工业金刚石的合成条件通常为：压力５．０～５．５ＧＰａ，温度１３００～１４５０℃，合成时间１２ｍｉｎ，合成工艺采用二阶段升压工艺。
（２）宝石级金刚石的人工制备
合成优质宝石级金刚石单晶最有效的方法是温度梯度法。温度梯度法是以温度梯度为驱动力，实现金刚石的溶解再析出，即利用不同温度下金刚石在溶剂中的浓度差异，使金刚石由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散，并在低温处结晶析出生长。在采用温度梯度法制备宝石级金刚石时，将碳源放置在反应腔体的高温处，籽晶放置在低温处，中间放置触媒金属，在温度梯度的驱动下，碳素通过触媒熔体向下输运，在籽晶上析出，从而实现晶体的生长。
采用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶时，晶体的生长速度与温度梯度有直接关系，因此要想得到优质晶体，选择合适的温度梯度至关重要。宝石级金刚石单晶的高温高压合成条件为：压力５．５～６．０ＧＰａ，温度１２３０～１３５０℃，合成时间３～１２ｈ，合成工艺采用二阶段升压工艺。
２．１．２动压法
动压法又称爆炸法，是利用烈性炸药（如ＴＮＴ炸药）爆炸时产生的冲击波直接作用于石墨，从而产生制备金刚石所需的高温高压条件。动压法的压力可通过测量冲击波在介质中的传播速度、介质的质点速度和介质的初始密度等来确定，一般可达几十至几百吉帕，甚至更高。动压法的温度测量较为困难，一般采用估算方法，如用热力学方法推算出介质的温度。动压法产生的高压高温是瞬时的，可瞬间形成细微粒金刚石（纳米级金刚石），不需要复杂庞大的高温高压装置，设备较简单，费用也较低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
２．２低压法
低压法可分为气相沉积法、热丝法、燃烧火焰法、等离子体法、化学输运反应法、激光诱导化学气相沉积（ＣＶＤ）法。最近，人们又开发出新的金刚石低压合成方法，如低压固态碳源法、水热合成法、激光辐射法、加速急冷法和超声法。目前，普遍使用的金刚石低压合成方法仍是传统的气相沉积法：在低压（１～１０６ｋＰａ）、高温（５００～８００℃）条件下由含碳气体沉积成金刚石，不需要复杂的高压高温设备，费用较低，多用于生长金刚石薄膜。
３、人造金刚石的超高压技术
人工合成金刚石的困难在于同时产生足够高的温度和压力，发明和制造高温高压设备无疑是解决这一问题的关键。现今，普遍使用的金刚石合成超高压装置主要为两面顶、四面顶、六面顶和分割球等高压装置。
３．１两面顶高压装置
两面顶（Ｂｅｌｔ式）高压装置在静压法合成金刚石中占有重要的地位，其机械结构为单压源，油缸设置在机架下部，便于使用较大直径的油缸，从而降低油缸的工作压力，延长油缸的维修周期，两面顶高压装置的优点为：高压冲程适中，对中性好，温度场和压力场稳定并且相互匹配，特别是样品腔的体积大，适合长时间生长大单晶，尤其适合生长杂质含量低的高档锯片级金刚石、形状规则的片状聚晶金刚石（ＰＣＤ）和拉丝模等聚晶产品。然而，两面顶高压装置在使用过程中存在压缸寿命过短的问题。
３．２四面顶高压装置
四面顶高压装置大多在实验室中应用，工业生产上未得到大量普及，但其多种改型在工业中得以应用，装置外部的４个压头分别推动４个碳化钨硬质合金顶锤，４个顶锤同时压缩中心部位的四面体样品，顶锤的形状为三棱锥，其底部为圆柱形。四面顶高压装置能否成功地运转取决于垫圈材料的正确选择（通常为叶蜡石）。当作用的载荷增加时，垫圈必须能够变形，且能承受两边巨大的应力差。另一个关键因素是碳化钨硬质合金顶锤的对中性。Ｈａｌｌ通过设计导套，使得４个外部压头能在同样的压力下操作，从而保证碳化钨硬质合金顶锤保持相互对准，不超出允许的偏差范围。
３．３六面顶高压装置
３．３．１拉杆式
拉杆式六面顶高压装置通过６个硬质合金顶锤的作用，使生产原料形成一个密封的正方体超高压容腔，通过电加热装置对腔体加热，使腔体产生合成金刚石所需的高温高压条件。拉杆式六面顶高压装置的每套液压缸都由两级直径不同的液压缸连接而成，每个液压缸与其周围的４个液压缸通过导向杆相互制约，保持同步运动，液压油通过拉杆内孔进入缸内。合理设计拉杆式六面顶高压装置的液压运行方案，是保证拉杆式六面顶高压装置具有较高完好率和可靠性的关键环节。拉杆式六面顶高压装置存在的最大问题是，硬质合金顶锤和拉杆在高压环境下使用时较易破裂，因而限制了其在工业生产中的应用。
３．３．２铰链式
它利用机械液压装置由工作缸底部从６个方向通入液压油向主机中心加压，推动活塞前进，使活塞前端面产生超高压力，在主机中心硬质合金顶锤的作用下使生产原料形成一个密封的正方体超高压容腔，提供金刚石生长所需的压力条件；同时，通过电加热方式对该腔体加热，保证腔体产生合成金刚石所需的高温条件。
整个设备的工作过程由电控系统和机械液压系统相互配合完成。电控系统通过控制液压系统（由大、小柱塞泵和２０余个电磁阀组成）和电加热装置，完成自动、分段、调整等不同模式下的工作。金刚石的合成过程为程序设定的循环过程，周期一般为１０～３０ｍｉｎ。铰链式六面顶高压装置的实际工作状态是循环的超压———保压———卸压过程，致使碳化钨顶锤承受交变应力，长期工作时易于在应力集中处发生疲劳开裂。
4、结语
随着科学技术的飞速发展以及人们对金刚石及其制品需求量的增长，金刚石行业面临的机遇与挑战并存。基于有限元仿真优化设计开展的复合式顶锤以及大腔体组合式六面顶高压装置新工艺与新技术的研究将成为新的研究热点。
参考文献：
[1]郑莲.人造金刚石表面金属化工艺及性能研究[D].中原工学院硕士学位论文，2014：5-15.
[2]李伯民，赵波，李清.磨料、磨具与磨削技术[M].北京：化学工业出版社，2010：16-22.
论文作者:秦惠玲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/18
标签：金刚石论文; 高压论文; 装置论文; 高温论文; 温度论文; 梯度论文; 生长论文; 《基层建设》2019年第8期论文;