人造金刚石概论

人造金刚石的基本原理,工艺条件,人造金刚石产业发展趋势及存在问题

人造金刚石

人造金刚石的基本原理,工艺条件,人造金刚石产业发展趋势及存在问题

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金刚石和石墨 人工合成金刚石的方法 金刚石产业存在的问题 金刚石产业发展趋势

人造金刚石的基本原理,工艺条件,人造金刚石产业发展趋势及存在问题

金刚石和石墨金刚石俗称“金刚钻”,它是一种由纯碳组成的矿物， 是现在已知自然界中最坚硬的物质。金刚石有很多优良的品 质，主要用作宝石和工业材料，但金刚石资源稀缺，人工合 成金刚石产业随之蓬勃发展。 人工合成金刚石原料为石墨，在一定的反应条件下转变 为金刚石。

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石墨的 结构和用途

金刚 石的结构 和用途

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性质

用途

纯净的金刚石是无色 经过仔细琢磨后， 透明正八面体形状的固体 可以成为璀璨夺目的装 饰品——钻石。

金 刚石 石

自然界存在的最硬的 物质 (质坚硬)

划玻璃、切割大理 石、加工坚硬的金属， 装在钻探机的钻头上钻 凿坚硬的岩层。

深灰色，有金属光泽，不 透明的细磷片状固体，质 软(在纸上画过能留下深灰 色的痕迹)。

铅笔芯

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原因

同一类原子，排列方式不同，所 形成的单质不同。

金刚石

石墨

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所以

改变碳原子排列方式就能 使石墨变成金刚石。转变

转变

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自从人工生长金刚石获得成功以后,人们一方面 以生产的规模大量合成工业用金刚石,另一方面则力 图生长出优质的金刚石大单晶,以便满足它在饰品及 电子技术中的潜在应用。人造金刚石的实现，使得金刚石的工业应用触手可及。人造金刚石的实现，使得女士们爱美的梦想不再遥不可及。

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人工合成金刚石的方法1、高温高压法(HTHP法) 2、化学气相沉积法(CVD法) 3、炸药爆炸合成金刚石纳米粉 4、金属溶剂热解还原催化合成金刚石

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(一) 高温高压法模拟自然过程，让石墨在高温高压的环境下转 变成金刚石。 金刚石与石墨之间存在着能量势垒(见下图),克 服这个能量势垒 ，就能使石墨转化成金刚石。

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高温高压法制金刚石，高温和高压更是制造技术的 关键。在一个陶制的容器里，液压机提供高压，电机产 生热量，提供了一个仿真天然钻石在地壳中形成的环境， 人工制造金刚石。 缺点： ①较长时间的高温高压使得生产成本昂贵, 设备要求苛刻。 ②HTHP金刚石由于使用了金属催化剂,使得金 刚石中残留有微量的金属粒子，产出的金刚石纯度和 天然金刚石有很大差距。 ③目前的技术生产的HTHP金刚石的尺寸只能 从数微米到几个毫米,并不能大规模的应用与工业生产 中。

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(二)化学气相沉积(CVD法)化学气相沉积,是通过含有薄膜元素的挥 发性化合物与其它气相物质的化学反应产 生非挥发性的固相物质并使之以原子态沉 积在置于适当位置的衬底上,从而形成所要 求的材料。化学气相沉积过程包括反应气 体

的激发和活性物质的沉积两个步骤。

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低温低压

C(碳源，CH4,CO等) 原理：

C(金刚石)

反应气体在高温下被分解，生成碳氢自由基，烃类分子和原 子氢，气体组分在气流的导向下，在沉积基底表面发生气-固相 反应，生长金刚石薄膜。

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(三)炸药爆炸合成纳米金刚石粉这种金刚石粉的制备方法与传统的石墨相变 法不同,它是以负氧平衡的含碳炸药(如三硝基甲 苯,TNT)为原料,在爆轰时由于炸药分子中的氧不 足以将全部碳氧化成为CO或CO2,因此爆轰区内 存在有游离碳,在爆轰区高压和高温的作用下,这 种游离碳可以部分地转化为金刚石。实验表明只 用TNT虽然可以生成游离碳,由于TNT的爆轰压力 不高,因而还不能生成金刚石。用TNT与RDX(黑 索金,Hexogen,1,3,5-trimethylene-2,4,6trinitramine)的混合物就可以生成金刚石。

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转化机理用示踪原子的方法证实,当用TNT-RDX混合炸药为原料 时,TNT是碳源,即TNT分子中的碳生成的游离碳才能转化为 金刚石,而RDX只起着产生高压的作用,其分子中的碳对金刚 石的生成没有贡献。对于金刚石的生成机理,一般认为:在足 够高的压力和温度下,有机炸药分子可以完全解离成为碳原 子或原子团,它们在高压下就可以相互结合成金刚石晶粒。 由于爆轰产物的高压持续时间很短(只有若干微秒),再加上物 质在高压下扩散受到阻碍,因而金刚石晶粒无法长成大的完 整晶粒。由于这种金刚石颗粒是由碳原子生成的,因而它们 倾向于生成圆球形颗粒以保持较低的表面能。据估算,在这 种条件下,5nm左右颗粒的表面能量最低,因此也最稳定。但 是,这种纳米尺寸的颗粒很容易团聚在一起形成微米级的颗 粒,而且由于金刚石微粒是随机地相互碰撞而粘结在一起,因 而所生成的颗粒具有分形结构,形成疏松而多孔的颗粒。