CN101028585A - 导电金刚石的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导电金刚石的工业合成方法。该方法以碳化硼粉为硼源，以触媒粉和石墨粉为合成原材料，原材料的重量比例为碳化硼∶触媒粉∶石墨粉＝0.1～20∶20～80∶80～20；本发明按照一般工业合成金刚石的生产方法进行原材料的称量与混合、压制成型、组装、焙烧、高温高压合成，最后将合成产物进行常规提纯处理，即可得到产品导电金刚石。本发明原材料成本低，合成工艺简单，并且在合成过程中不会引入有害杂质，提高了导电金刚石的质量，通过本发明合成的导电金刚石导电性能好、产量高、成本低、耐热性好。

Description

导电金刚石的合成方法
一、技术领域：本发明涉及一种人造金刚石的工业合成方法，特别是涉及一种导电金刚石的工业合成方法。
二、背景技术：
导电金刚石由于具有高耐热性、高强度、高韧性、高热稳定性以及独特的导电性能。根据目前的发展情况，可以预期，导电金刚石将会进一步拓展金刚石的应用范围。目前生产导电金刚石的方法主要有：
1、在原材料中添加无定形硼：该工艺需要使用纯硼作为原料，由于纯硼的价格较贵，造成了导电金刚石的生产成本较高，不易推广应用。
2、在原材料中添加硼化物：该工艺一般添加氧化硼、硼酸等硼化物，由于它们在合成过程中分解出的氧会与触媒形成金属氧化物，从而会影响导电金刚石的质量，降低金刚石的质量。
由此可以看出，上述两种工艺中都存在一定的缺陷，影响导电金刚石的工业生产与应用。
三、发明内容：
本发明目的：克服现有工艺中存在的缺陷，提出一种高效低成本的导电金刚石的合成方法。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种导电金刚石的合成方法，主要包括以下步骤：按照一般工业合成金刚石的生产方法进行原材料的称量与混合、压制成型、组装、焙烧、高温高压合成，最后将合成产物进行常规提纯处理，即可得到产品导电金刚石，其中：
a.所述原材料是以碳化硼粉为硼源，以触媒粉和石墨粉为合成原材料；碳化硼粉的纯度＞95％，触媒粉的纯度＞95％，石墨粉纯度＞98％；
b.所述原材料的重量比例为碳化硼∶触媒粉∶石墨粉＝0.1～20∶20～80∶80～20；
c.所述高温高压合成时，其中压力控制在4.5～6.0GPa，温度控制在1150～1900℃。
所述导电金刚石的合成方法，其中原材料的重量比例为碳化硼∶触媒粉∶石墨粉＝1～10∶30～70∶70～30。
所述导电金刚石的合成方法，其中所述触媒粉为铁基合金触媒粉，铁为基本元素，其含量为30～100wt％；合金中其它金属元素可以是一种或多种元素，其含量为余量。
所述导电金刚石的合成方法，其中所述其它金属元素为镍，或为锰，或为钛，或为铝，或为铬，或为钴。
本发明在合成工艺中对合成产物破碎后进行提纯处理，该处理工艺与通常的工业金刚石处理工艺完全相同。
关于本发明对导电金刚石的检测方法为：
(1)、金刚石产量检测：用感量为0.1g的天平称量提纯后的金刚石，通过计算得到金刚石单产。
(2)、电阻检测：由于金刚石的形状不规则，粒度细，采用通常的电阻测量仪器无法进行测量其电阻率，所以采用堆积电阻测量的方法，即将一定重量(0.2g)的金刚石装入φ10mm的绝缘氧化铝管，两端用金属棒封堵，并施加一定压力(980N)，测量其电阻，然后根据电阻率公式ρ＝R*S/L计算金刚石堆积电阻率。
(3)、磁化率检测：金刚石磁化率反映了金刚石内部金属包裹体含量的相对多少，利用磁化率检测仪对金刚石进行磁化率检测。
(4)、金刚石内部杂质检测：将金刚石在空气中1200℃下焙烧90分钟，检测焙烧后的残余重量，以残余量的百分含量作为金刚石内部杂质含量的参考标准。
通过对该合成方法的研究发现：碳化硼添加量对金刚石的产量、导电性能、磁化率以及内部杂质含量等性能都有着规律性影响，在Fe70Ni30∶石墨＝70∶30，合成压力5.2GPa，合成温度1350℃的条件下，不同碳化硼添加量对上述性能的影响如附图1～4(其中图2的纵坐标为堆积电阻率(Ω.cm)的对数)。这些数据表明，随着碳化硼添加量的增加，金刚石导电性能迅速提高，产量逐渐降低，磁化率逐渐降低，内部杂质逐渐减少。
本发明的积极有益效果：
1、本发明的合成工艺操作简单、生产成本价格低。
本发明是以碳化硼粉、铁基合金触媒粉和石墨粉为原材料，合成导电金刚石，此方法无需对原有的合成设备进行任何改造，大幅度降低了原材料的成本(碳化硼价格为0.1～0.2元/克，硼为60～100元/克)。与现有生产技术相比，本发明导电金刚石的生产成本可以减少1元/克拉。
2、本发明的合成工艺中不引入有害杂质，保证了合成体系不受污染，提高了产品导电金刚石的质量。
3、本发明根据碳化硼对金属触媒的选择性，优选了合适的金属触媒即铁基合金触媒，利用该触媒合成的导电金刚石导电性能好，产量高，成本低。
四、附图说明
图1为本发明合成方法中碳化硼添加量与金刚石产量的关系图
图2为本发明合成方法中碳化硼添加量与电阻率的关系图
图3为本发明合成方法中碳化硼添加量与磁化率的关系图
图4为本发明合成方法中碳化硼添加量与杂质含量的关系图
五、具体实施方式
实施例一：一种导电金刚石的合成方法
一种导电金刚石的合成方法，主要包括以下步骤：按照一般工业合成金刚石的生产方法进行原材料的称量与混合、压制成型、组装、焙烧、高温高压合成，最后将合成产物进行常规提纯处理，即可得到产品导电金刚石，其详细步骤如下：
称取Fe70Ni30触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼粉1克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1350±50℃，经提纯处理，得到纯净导电金刚石，单产46.7克拉。
实施例二：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni30触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产37.8克拉。
实施例三：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni30触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼7克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产30.8克拉。
实施例四：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni30触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼10克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产17.1克拉。
实施例五：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni30触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼15克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产2.7克拉。
实施例六：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni30触媒粉20克，石墨粉80克，碳化硼0.5克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.5±0.2GPa，温度为1550±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产35.8克拉。
实施例七：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe20Ni70触媒粉80克，石墨粉20克，碳化硼0.1克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.4±0.2GPa，温度为1320±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产33.2克拉。
实施例八：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取铁粉30克为触媒粉，石墨粉70克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力5.7±0.2GPa，温度1750±50℃，合成块经提纯处理后得到纯净的导电金刚石，单产25克拉。
实施例九：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取镍粉30克为触媒粉，石墨粉70克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.4±0.2GPa，温度为1320±50℃，合成块经提纯处理后没有得到金刚石。
实施例十：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Ni30Mn50Co20触媒粉30克，石墨粉70克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成温度控制在1200～1350℃，合成压力控制在5.0～5.5GPa，，合成块经提纯处理后没有得到金刚石。
实施例十一：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
取Fe70Co30触媒粉60克，石墨粉40克，碳化硼10克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成温度为1390±50℃、压力5.4±0.2GPa，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产29.4克拉。
实施例十二：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
取Fe70Ni30触媒粉50克，石墨粉50克，碳化硼10克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成温度1200±50℃、压力5.5±0.2GPa，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产27.5克拉。
实施例十三：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Mn30触媒粉70克，石墨粉30克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.0±0.2GPa，温度为1200±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产17.3克拉。
实施例十四：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni25Mn5触媒粉70克，石墨粉30克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.3±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产41.2克拉。
实施例十五：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Co25Mn5触媒粉70克，石墨粉30克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.3±0.2GPa，温度为1350±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产33.5克拉。
实施例十六：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni25Cr5触媒粉70克，石墨粉30克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.5±0.2GPa，温度为1450±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产10.2克拉。
实施例十七：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni28Al2触媒粉70克，石墨粉30克，碳化硼4克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为4.8±0.2GPa，温度为1150±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产5.2克拉。
实施例十八：一种导电金刚石的合成方法，同实施例一基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：
称取Fe70Ni28Ti2触媒粉60克，石墨粉40克，碳化硼2克均匀混合，混合后压制成φ30×27的合成棒，放入传压介质叶腊石-白云石复合块，在六面顶压机上高温高压合成，合成压力为5.2±0.2GPa，温度为1550±50℃，合成块经提纯处理后，最后得到纯净的导电金刚石，单产6.2克拉。

Claims (4)

1.一种导电金刚石的合成方法，主要包括以下步骤：按照一般工业合成金刚石的生产方法进行原材料的称量与混合、压制成型、组装、焙烧、高温高压合成，最后将合成产物进行常规提纯处理，即可得到产品导电金刚石，其特征是：
a.所述原材料是以碳化硼粉为硼源，以触媒粉和石墨粉为合成原材料；碳化硼粉的纯度＞95％，触媒粉的纯度＞95％，石墨粉纯度＞98％；
b.所述原材料的重量比例为碳化硼∶触媒粉∶石墨粉＝0.1～20∶20～80∶80～20；
c.所述高温高压合成时，其中压力控制在4.5～6.0GPa，温度控制在1150～1900℃。
2.根据权利要求1所述的导电金刚石的合成方法，其特征是：所述原材料的重量比例为碳化硼∶触媒粉∶石墨粉＝1～10∶30～70∶70～30。
3.根据权利要求1所述的导电金刚石的合成方法，其特征是：所述触媒粉为铁基合金触媒粉，铁为基本元素，其含量为30～100wt％；合金中其它金属元素可以是一种或多种元素，其含量为余量。
4.根据权利要求3所述的导电金刚石的合成方法，其特征是：所述其它金属元素为镍，或为锰，或为钛，或为铝，或为铬，或为钴。
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