合成钻石的历史现状及其主要方法.docVIP

第四节 合成钻石及其方法 一、合成钻石的历史和现状 二、高温高压中晶触媒法合成钻石 三.化学气相沉淀法(CVD)合成钻石 　 　 　  一、 ??? 早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，才使钻石的合成得以实现。1953年瑞士工程公司（ASEA）使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司（GE）也于1955年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。此后，工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。但直到1970年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的成本仍然很高，不能进行大批量的生产。2000年可切磨的合成钻石只有3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。??? 到二十世纪九十年代，采用化学气相沉淀法（CVD）合成钻石薄膜，在固相基片上沉积形成金刚石多晶质薄膜，作为工业用途。2003年，美国阿波罗公司合成出达到宝石级单晶，并开始商业性生产。最近 ，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室实现100μm/h的CVD合成钻石的速度，生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸,采用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长 的方法，有可能实现英寸级(约300ct)无色钻石单晶的三维生长。人们还发现,高压高温热处理能改善CVD合成钻石的颜色、提高合成钻石的硬度。 　 图7-34 钻石-石墨相图 ??? 1. 合成钻石的原理 ????钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。根据钻石-石墨的相平衡图可知，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，钻石只有在高温高压下才是最稳定的，在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石(图7-34)。 ??? 合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法（即在亚稳定区内生长钻石的方法）。合成工业用钻石主要采用静压法中的静压触媒法，通过液压机产生（4500-9000）X109Pa的压力，以电流加热到1000-2000℃的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。 ?? ?宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了种晶，所以又称为晶种触媒法。金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。同时，金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下，石墨和钻石都可以溶于触媒中，并且，石墨的溶解度大于钻石，当压力升高时，二者的差异也增大。因此，当石墨在金属触媒中溶解达到饱和时，对钻石而言就已经达到过饱和了，此时，钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂，晶体生长的时间较长，所以成本比合成工业钻砂高得多。 ??? ??? 2. 宝石级钻石的合成工艺 ??? (1)高压装置 ??? 合成宝石级钻石主要采用带 形压机和球形压机两种： ??? ① 带状压机（Belt）：这种装置是美国通用电气公司发明的，又称两面顶压机（图7-34），压力由上下两个顶锤的挤压产生。这种压机合成一粒1克拉 大小的晶体需要60个小时。??? ② 球形压机（BARS）：1990年由俄罗斯人发明的，压力由六个个顶锤的挤压产生（图7-35、36），体积比带状压机小，生产成本更低。 ??? 图7-35?球形压机? 图7-34? 压形压机 图7-36? 球形压机 　 图7-37? 反应舱内部结构（压带装置和分裂球装置中的反应舱相同） ??? (2)原料：通常选用天然或合成的钻石粉、石墨及石墨与钻石的混合物作为碳源。 ??? (3)触媒：一般采用铁镍合金、铁锰镍合金，也可根据消除氮(N)的需要采用其他的触媒，如铝质的触媒。 ??? (4)压力舱：用叶腊石作成柱形舱体，用来放置原料、触媒和种晶。 ??? (5)种晶：天然或者合成钻石1到2粒，放在生长舱的两端。 ??? (6)工艺过程：在5.5-6 x109Pa的压力和1650℃温度下，碳溶解于金属触媒中，样品仓具有一定的温度梯度，中间温度较高(1650℃)，两端较低(1550℃), 溶解于触媒中的碳 迁移到温度较低的种晶上结晶出来，生长出钻石单晶体。 ?? 3. 合成钻石的晶形、颜色及类型的控制 ????(1)晶形：合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度对形态有一定的影响。温度较低（1300℃）时以立方体为主，温度较高（1600℃）时以八面体为主（图7-38,39）。 　 ??? 图7-38? 合成钻石晶形与生长温度的关系 图7-39 合成钻石晶体呈立方体的与八面体的聚形 ??? （2）颜色和类型 ??? 合成钻石的颜色和类型也可以控