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合成金刚石选择石墨的原则咱们今天来讲一讲合成金刚石时选择石墨的事儿。
这就像是我们做手工挑材料一样，可讲究啦。
金刚石可漂亮啦，它亮晶晶的，特别坚硬。
那怎么把石墨变成金刚石呢？这就像变魔术，但是这个魔术得选对石墨这个“小助手”。
有一种情况呀，就像我们挑水果一样，得挑新鲜的。
石墨要是很纯净的那种就特别好。
比如说，假如有一堆石墨，里面有很多杂质，就像我们吃的糖果里面混进了小石子，那可不行。
这些杂质就会捣乱，让合成金刚石的过程变得乱七八糟。
就像我们搭积木，如果积木块有坏的，那我们的小房子就搭不好啦。
纯净的石墨就像崭新的、没有一点破损的积木块，这样才有可能顺利变成金刚石呢。
还有哦，石墨的结构也很重要。
咱们可以把石墨想象成是一群小蚂蚁排着队。
如果小蚂蚁们排得整整齐齐，规规矩矩的，这样的结构就比较适合变成金刚石。
比如说，有的石墨就像是小蚂蚁们乱成一团，这样在要把它变成金刚石的时候，就像要把乱成一团的小蚂蚁重新整齐地排好队，可困难啦。
但是如果小蚂蚁本来就排得很整齐，就像训练有素的小士兵，那把它们变成金刚石这个新的“小队伍”就容易得多啦。
另外呀，石墨的大小也有讲究。
如果石墨太大块了，就像一个超级大的蛋糕，要把它整个变成金刚石可不容易呢。
这就好比我们想把一个大大的泥巴团捏成一个小小的精致的陶俑，很难做到每一处都变好。
可是如果石墨是小块小块的，就像小饼干一样，那我们就可以一块一块地把它们变成金刚石，这样就容易操作多啦。
我们再来说说价格。
就像我们买玩具一样，太贵的玩具可能爸爸妈妈就不会给我们买啦。
选择石墨也是这样，如果太贵的话，合成金刚石的成本就会变得特别高。
那就不划算了呀。
比如说有两种石墨，一种价格像天价一样，另一种价格比较合理，那当然是选择价格合理的那种啦，这样我们就能用比较少的钱来做合成金刚石这个有趣的事儿啦。
所以呀，在合成金刚石选择石墨的时候，就像我们挑选做游戏的小伙伴一样，要考虑很多方面呢，这样才能顺利地把石墨变成漂亮又坚硬的金刚石。
粉末触媒对合成金刚石质量的影响魏军才;杨晋中;毛海涛;张富威;武艳强【摘要】将具有不同氧含量、镍含量、粒度分布的粉末触媒与石墨粉按照一定比例混合压制成合成棒,在国产六面顶压机上进行金刚石高温高压合成实验,并对合成的金刚石单产、颜色、粒度分布、TI、TTI值进行了对比分析.结果表明:以氧含量低、镍含量适中、粒度细且集中的粉末触媒为原料,合成的金刚石整体质量较好.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2016(028)003【总页数】4页(P22-25)【关键词】粉末触媒;氧含量;镍含量;粒度;合成;质量【作者】魏军才;杨晋中;毛海涛;张富威;武艳强【作者单位】郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001;郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001;郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001;郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001;郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001【正文语种】中文【中图分类】TQ164我国从上世纪70年代开始从事粉状触媒的研究，但直到90年代末许多科研、企业单位开始深入地研究粉末触媒的应用，才取得了较大进展[1]。
与片状触媒合成金刚石单晶相比，粉末触媒法具有单产高、品质好、粒度均匀、金刚石中杂质含量少、热稳定性好等优点，目前已在国内普遍使用。
粉末触媒作为合成金刚石的催化剂，其自身特性将直接影响金刚石的产量和质量。
本文主要从粉末触媒氧含量、镍含量、粒度大小等三个方面出发，分析其对合成金刚石质量影响机理，以期为业内企业使用粉末触媒时提供更多的数据参考。
实验采用单因素变量法将具有不同特性的粉末触媒与石墨粉按照一定比例混和、压制、微波烧结处理后采用同一组装工艺进行组装，在华晶公司自主研制的HJ-700型六面顶压机上采用同一合成工艺进行对比合成实验。
高温高压合成试验后首先对合成棒进行酸洗提纯，在光学显微镜下观察合成金刚石的晶形、颜色等,然后对提取的金刚石进行筛分，在型号为RE.TEK.s.a.s(德国产)抗冲击韧性仪上测量粒度45/50金刚石单晶的TI值、TTI值。
人造石墨和天然石墨的区别？人造石墨和天然石墨的区别？本文首发增碳剂可以用作铸铁增碳剂的材料很多，常用的有人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤以及用这类材料配成的混合料。
增碳剂可以用作铸铁增碳剂的材料很多，常用的有人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤以及用这类材料配成的混合料。
1．人造石墨上述各种增碳剂中，品质最好的是人造石墨。
制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦，在其中加沥青作为粘结剂，再加入少量其他辅料。
各种原材料配合好以后，将其压制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性气氛中处理，使之石墨化。
经高温处理后，灰分、硫、气体含量都大幅度减少。
由于人造石墨制品的价格昂贵，铸造厂常用的人造石墨增碳剂大都是制造石墨电极时的切屑、废旧电极和石墨块等循环利用的材料，以降低生产成本。
熔炼球墨铸铁时，为使铸铁的冶金质量上乘，增碳剂宜首选人造石墨，为此，最好向附近用电弧炉炼钢的企业或电解铝生产企业购买废电极，自行破碎到要求的粒度。
2．石油焦石油焦是目前广泛应用的增碳剂。
石油焦是精炼原油得到的副产品，原油经常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青，都可以作为制造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。
生石油焦的产量大约不到所用原油量的5%。
美国生石油焦的年产量约3000万t。
生石油焦中的杂质含量高，不能直接用作增碳剂，必须先经过煅烧处理。
生石油焦有海绵状、针状、粒状和流态等品种。
海绵状石油焦是用延迟焦化法制得的，由于其中硫和金属含量较高，通常用作锻烧时的燃料，也可作为煅烧石油焦的的原料。
经锻烧的海绵焦，主要用于制铝业和用作增碳剂。
针状石油焦，是用芳香烃的含量高、杂质含量低的原料，由延迟焦化法制得的。
这种焦炭具有易于破裂的针状结构，有时称之为石墨焦，煅烧后主要用于制造石墨电极。
粒状石油焦呈硬质颗粒状，是用硫和沥青烯含量高的原料，用延迟焦化法制得的，主要用作燃料。
流态石油焦，是在流态床内用连续焦化法制得的，呈细小颗粒状，结构无方向性，硫含量高、挥发分低。
850mm缸径六面顶压机合成金刚石大单晶研究作者：黄国锋梁新鹏王雅鸿路小波苏海洋来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2024年第01期摘要：随着六面顶压机的大型化，合成金刚石大单晶所用的功耗也越来越大，为降低850mm缸径六面顶压机生长金刚石大单晶的功耗，本文设计了一种氧化物与石墨混合体加热的辅助热源，并通过优化生长腔体结构，使得六面顶压机合成功率降低15％，并通过在合成腔体中添加金属钛作为除氮剂，使用铁钴合金作为触媒，实现了优质IIa型宝石级金刚石大单晶的合成，这对超硬材料行业的节能减排具有重要的意义。
此外光致发光光谱显示，金刚石晶体中广泛存在着氮和空位形成的结构缺陷。
关键词：高温高压；温度梯度法；金刚石大单晶；低能耗中图分类号：TQ164 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2024）01-0035-041 引言金刚石作为超硬材料的典型代表，不仅具有传统材料无法比拟的超硬性能，还具有较好的热导率，其热导率可也达到铜的5倍，因此凭借金刚石的高热导性能在微电子器件领域具有广阔的应用前景，尤其是大尺寸的宝石级金刚石在这方面更能发挥优势。
此外金刚石大单晶做成窗口材料在军工航空航天领域也具有广阔的应用前景。
迄今为止制备宝石级金刚石大单晶的技术手段有两种，一种是化学是利用微波等离子（MPCVD）技术进行化学沉积的方法，此类方法最早由日本无机材料研究所开发出来用以制备多晶金刚石薄膜[1]，直到2004年美国卡内基地质物理实验室利用MPCVD技术沉积出了单晶金刚石[2]，近年来该项技术不断的进步和发展，其优势在于不需要任何的催化剂，在低压环境中使用等离子气体在基底上进行沉积生长，因此该种方法获取的金刚石大单晶没有金属包裹物，但生长时间较长，一般获取4mm高度的单晶毛坯需要近30天的时间，电能消耗也很大。
另外一种制备金刚石大单晶的方法是高温高压条件下的温度梯度法，这种方法是美国通用公司最早于70年代研发出来的，虽然年代久远，但真正实现商业化应用，尤其是在国产六面顶压机这类高压设备上大规模商业化生产是在近5—6年才实现的。
铁镍碳体系中触媒含量的不同对金刚石晶体生长的影响摘要：本文以高纯鳞片石墨为碳源，以Fe80Ni20合金触媒粉为触媒，在国产JHY-Ⅲ型六面顶液压机上进行金刚石的合成实验。
在设定相同压力及加热功率的条件下研究了触媒粉与石墨粉分别按3：7、4：6、5：5、6：4和7：3混合时对金刚石合成的影响规律，得出了500秒合成时间内最佳石墨触媒混合比为4：6的结论。
关键词：铁镍碳；触媒含量；生长影响0 引言自人类历史上第一次采用静高温高压法合成出人造金刚石以来[1] ，对触媒材料的研究[2-7]就成为了人造金刚石研究的一项重要内容。
如今金刚石的工业化生产已有近半个世纪的历史。
目前国内的生产企业也已经普遍采用了粉状石墨加上粉末触媒的方法进行金刚石的高温高压合成，其金刚石产量、粒度集中度均较片式组装有了一个较大的飞跃。
工业合成的不同粒度、不同晶型的金刚石在不同领域中有着各自的应用。
对于影响金刚石粒度及形貌的原因可能是多方面的，其中人们研究的最主要的方法是从合成工艺方面，通过调节合成压力、温度、合成时间等来调节合成金刚石的粒度及形貌[8-10]。
然而，关于在粉末触媒合成金刚石过程中，棒料中触媒的含量对合成的金刚石单晶的影响的研究鲜有报道。
吉林大学超硬材料国家重点实验室曾对此问题做过一定的研究，本文以我们已完成的阶段性成果[11，12]为前提，重点研究了铁基粉末触媒与鳞片石墨的混合比不同对合成金刚石单晶的影响，总结出了除合成工艺以外，触媒的含量也对合成的金刚石单晶有着明显影响的基本规律。
1 实验实验以国产JHY-Ⅲ型六面顶液压机为合成设备，以天然高纯鳞片石墨粉为碳源，以Fe80Ni20合金触媒粉为合成触媒，实验将触媒粉与石墨粉分别按3：7、4：6、5：5、6：4和7：3的比例混合后混料6小时，混料均匀后采用Y41-6.3T 型单柱液压机压制成型。
组装方式为旁热式组装。
在1300-1350度之间，合成压力5.3Gpa左右进行了金刚石的合成实验，文中所有样品合成时间均为500秒。
第20卷第2期 超 硬 材 料 工 程V o l.20 2008年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A p r.2008天然鳞片石墨灰分对粉末技术合成金刚石的影响①徐燕军1,2,柳成渊1,2,陈 哲1,2,刘一波1,2,尹翔2,赵万林1,2(1.钢铁研究总院,北京 100081;2.安泰科技股份有限公司,北京 100081)摘 要:天然鳞片石墨已经被广泛应用于粉末触媒技术合成人造金刚石,其性能直接关系着金刚石的各项性能指标。
文章通过研究天然鳞片石墨灰分对金刚石静压强度、T T I等性能指标的影响,提出了在选择合成金刚石用石墨材料时,灰分应低于50ppm,同时灰分较低时也要注意残留物有害元素对金刚石的影响,如S、Si等。
关键词:金刚石;鳞片石墨;灰分;粉末冶金技术中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2008)02-0008-04I nf luence of a sh of squama graph ite on syn thesiz i ngd i am ond by powder ca ta lyst technologyXU Yan2jun1,2,L I U Cheng2yuan1,2,CH EN Zhe1,2,L I U Y i2bo1,2,Y I N X iang2,ZHAO W an2lin1,2(1.I ron&S teel R esearch Institu te,B eij ing100081,Ch ina;2.A d vanced T echnology&M aterials Co m p any L i m ited,B eij ing100081,Ch ina)Abstract:T he squam a grap h ite as the carbon sou rce has been w idely u sed in syn thesizingdiam ond by the pow der catalyst techno logy,w h ich affect the perfo r m ance of the syn theticdiam ond directly.In the pap er,the au tho rs m ade a research on the influence of ash ofsquam a graph ite on the static p ress strength and ther m al toughness of i m pact of diam ond,and indicate that the percen t of ash con ten t shou ld be under50ppm,and shou ld p ayatten ti on to the influence of the har m fu l elem en ts such as the S,Si etc.Keywords:diam ond;squam a grap h ite;ash con ten t;pow der m etallu rgy techno logy0 前言近几年来,粉末触媒技术在国产六面顶金刚石压机上合成人造金刚石基本替代了传统的片状技术,而传统的合成金刚石的碳源——碳片也随之变成了石墨粉。
第20卷第2期 超 硬 材 料 工 程V o l.20 2008年4月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G A p r.2008天然鳞片石墨灰分对粉末技术合成金刚石的影响①徐燕军1,2,柳成渊1,2,陈 哲1,2,刘一波1,2,尹翔2,赵万林1,2(1.钢铁研究总院,北京 100081;2.安泰科技股份有限公司,北京 100081)摘 要:天然鳞片石墨已经被广泛应用于粉末触媒技术合成人造金刚石,其性能直接关系着金刚石的各项性能指标。
文章通过研究天然鳞片石墨灰分对金刚石静压强度、T T I等性能指标的影响,提出了在选择合成金刚石用石墨材料时,灰分应低于50ppm,同时灰分较低时也要注意残留物有害元素对金刚石的影响,如S、Si等。
关键词:金刚石;鳞片石墨;灰分;粉末冶金技术中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2008)02-0008-04I nf luence of a sh of squama graph ite on syn thesiz i ngd i am ond by powder ca ta lyst technologyXU Yan2jun1,2,L I U Cheng2yuan1,2,CH EN Zhe1,2,L I U Y i2bo1,2,Y I N X iang2,ZHAO W an2lin1,2(1.I ron&S teel R esearch Institu te,B eij ing100081,Ch ina;2.A d vanced T echnology&M aterials Co m p any L i m ited,B eij ing100081,Ch ina)Abstract:T he squam a grap h ite as the carbon sou rce has been w idely u sed in syn thesizingdiam ond by the pow der catalyst techno logy,w h ich affect the perfo r m ance of the syn theticdiam ond directly.In the pap er,the au tho rs m ade a research on the influence of ash ofsquam a graph ite on the static p ress strength and ther m al toughness of i m pact of diam ond,and indicate that the percen t of ash con ten t shou ld be under50ppm,and shou ld p ayatten ti on to the influence of the har m fu l elem en ts such as the S,Si etc.Keywords:diam ond;squam a grap h ite;ash con ten t;pow der m etallu rgy techno logy0 前言近几年来,粉末触媒技术在国产六面顶金刚石压机上合成人造金刚石基本替代了传统的片状技术,而传统的合成金刚石的碳源——碳片也随之变成了石墨粉。
目前粉末技术主要采用高纯天然鳞片石墨作为合成金刚石的原材料。
然而不同的石墨合成金刚石的效果差异非常大,因此如何评价天然鳞片石墨,如何选择石墨原材料,成为金刚石合成研究的热点。
30多年前,苟清泉教授就合成金刚石单晶的石墨优选原则提出了清晰的概念:高石墨化度、高纯度、大晶粒度、高密度[1]。
其中,石墨纯度一直是合成金刚石碳源非常重要的指标。
本文在天然鳞片石墨作为粉末触媒技术合成金刚石碳源时,对其灰分及残留物进行了研究。
①收稿日期:2008-01-20作者简介:徐燕军(1971-),男,高级工程师,在读博士研究生,主要研究方向是超硬材料合成技术。
1 试验方法1.1 石墨灰分的测定及计算预先将要检测的石墨样品放干燥箱200℃烘烤12小时。
然后从中称取15g (精确至±0.0002g ),放入预先恒重的敞口蒸发皿中,将蒸发皿置于950℃±20℃马弗炉中,保持炉门开启25m in ,空气自然进入炉内氧化样品,石墨被烧尽后取出蒸发皿,稍冷后,移入干燥箱冷却至室温,迅速称重。
再将蒸发皿放入高温炉灼烧20m in ,重复以上步骤,直至重量之差不超过011m g 。
此时残留物为石墨灰分。
试样灰分A 按式(1)计算:A =M 1 M ×106(1) 式中:A ——试样灰分,10-6;M ——称取试样质量,g ;M 1——试样灼烧后残留物质量,g 。
1.2 实验原料及组装碳源:不同牌号不同灰分的天然鳞片石墨(-200目)触媒:安泰科技股份有限公司FeN i 30水雾化合金粉末(-200目)实验组装如图1,本实验为间接加热组装结构即氧化镁杯绝缘,石墨纸及石墨片作为电热介质。
合成反应腔由叶腊石复合传压介质构成,经300℃焙烧。
叶腊石块为边长55mm 的立方体,孔径540mm 。
合成腔为536mm ,合成柱触媒石墨重量比为触媒∶石墨=3∶7,经三维混料机混合压制成尺寸为535.2×29mm 圆柱体,单重为78g。
图1 合成反应腔半截组装结构F ig .1 A ssem bly sketch of half synthesizing block1.3 合成工艺参数选择高压合成设备为6×1800t 铰链式六面顶压机,压机缸径为5460mm 。
金刚石合成工艺采用二段升压,加热时间25m in ,合成压力和加热功率根据石墨生长金刚石的实际效果判断调整。
为保证合成工艺的一致性,合成金刚石的单产均控制在相当水平。
2 实验结果及分析2.1 灰分与金刚石各性能指标的关系所谓灰分主要是指石墨中所含的杂质成分,亦即石墨的纯度。
目前,普遍使用的高纯天然鳞片石墨纯度都接近99.99%,但是由于碳源石墨晶体存在缺陷,灰分会改变石墨的晶体结构和热力学性质,从而影响金刚石的合成效果。
如Si 会使金刚石点阵发生畸变,降低金刚石的强度[2]。
基于这一点,采用不同牌号不同灰分含量的天然鳞片石墨(灰分均低于100ppm )进行金刚石合成实验,对合成的金刚石的静压强度、热冲击韧性(T T I )进行了分析,选择40 45目,45 50目金刚石进行性能测试,结果如表1所示。
分析石墨灰分含量对金刚石性能的影响,确定天然鳞片石墨灰分指标。
表1 不同灰分与金刚石静压强度、热冲击韧性(T T I )的关系T able 1 T he relati onsh i p betw een different ash content w ith static p ress strength and ther m al i m pact toughness of diamond石墨牌号灰分(×10-6)静压强度(N )40 45(目) 45 50(目) T T I (%)40 45(目)45 50(目)CL1621620172.8744219517465.368.29116114457.866.3CJ2619017762.875.54718017665.771.510015914950.568JX1319216471.580.53320118670.377.8751602006265.8HX181901807180.54018718068.578.57816818866.373.5金刚石静压强度随着灰分的增加有下降的趋势,当灰分接近100时,金刚石强度明显下降。
这是由于石墨灰分致使石墨晶体缺陷,在金刚石生长过程中,由于石墨灰分的存在,触媒合金在石墨中的溶解度不同程度受到影响,而这种影响如果不是均匀分布的时候,就会造成金刚石气泡或包裹体等晶体缺陷的产生。
从而在宏观上,表现为金刚石晶形不完整,六-八面体金刚石所占比例减少等。
从而使金刚石静压强度降低。
而金刚石T T I 值一直随石墨灰分的增加而降低,说明在金刚石晶体内部,灰分进入金刚石形成包裹体,在受热时,由于杂质膨胀系数与金刚石不一致,当达到一定温度时,金刚石受内部杂质影响而胀裂。
综合金刚石静压强度和T T I ,我们可以看出,合成高品级金刚石,鳞片石墨灰分含量应控制在50×10-6以下为宜。
2.2 灰分残留物有害元素对金刚石性能的影响不同矿源的石墨所含杂质元素不太一样,某些有害元素在石墨提纯过程中很难去除,虽然灰分有可能相当,但残留物对金刚石生长的影响却大不相同。
同样的道理,不同工艺提纯的石墨由于在提纯过程中使用的各种化学药剂不尽相同,最终残留在石墨里的化学元素也不同,其中可能含有对金刚石生长有害的元素,这样也会同样导致在灰分相当的条件下不同石墨合成的金刚石质量相差较远。
由此,我们借助X —ray 能谱对石墨灰分检测残留物进行分析。
加速电压:15.00keV ,活时间:26s ,出射角:34.17度。
为避免灰分对金刚石合成造成的差异,选取两种灰分接近的石墨样品:1#石墨样品灰分为33×10-6,2#石墨样品灰分为26×10-6。
分别进行灰分残留物元素分析,图谱如图2,图3。
两种石墨灰分残留物元素组成如表2。
同时利用扫描电镜对两种石墨合成的金刚石进行形貌分析,为使两种金刚石样品更有可比性,我们选取40 45目金刚石放大100倍进行观察,如图4,图5。
图2 1#石墨(33×10-6)灰分残留物样品X 2ray 能谱图F ig .2 X 2ray energy spectrum of ash compo siti on of 1#graph ite samp le (33×10-6)图3 2#石墨(26×10-6)灰分残留物样品X 2ray 能谱图F ig .3 X 2ray energy spectrum of ash compo siti onof 2#graph ite samp le (26×10-6)表2 两种石墨灰分残留物元素组成对比T able 2 Comparison of ash contentof the tw o k inds of graph ite1#石墨2#石墨元素重量百分比(%)重量百分比(%)A l 2.12.2Si 2.82.8Ca 16.316.1T i 5.26.0V 1.72.0Fe 71.963.3P 03.4S4.2图4 1#石墨金刚石扫描电镜图(×100倍)F ig .4 SE M pho tograph of diamond using1#graph ite samp le (×100)图5 2#石墨金刚石扫描电镜图(×100倍)F ig.5 SE M pho tograph of diamond using2#graph ite samp le(×100)表3 两种石墨样品合成金刚石静压强度对比T able3 Comparison of static p ressstrength of the synthetic diamondby using tw o graph ite samp les石墨样品编号静压强度(N)40 4545 501#2282122#197186我们首先将1#石墨与2#石墨合成的金刚石在光学显微镜下放大40倍观察,前者合成的金刚石透明度明显好于后者,且金刚石表面光滑油亮,晶形更加完整。
