CN101292062A - 可控制晶种位置的超级磨粒的合成体 - Google Patents

Abstract

一种用于合成超级磨粒的改良方法，其可提供具有高品质、高产率且窄尺寸分布的工业超级磨粒。该合成方法包括：形成一种由原料(12)和催化剂材料(14)组成的基本上均匀的混合物或者多层由原料和金属催化剂组成的层。多个晶种(20)被放置在所述混合物中或所述多层的一层中的预设图样内，形成一生长前体(24)。将该生长前体在该超硬晶体为暂时热力学稳定的温度和压力状态下保持一段时间，使其足以达到所期望的生长程度。方便地晶种的图样化布置以及所揭示的方法通常可制得合成的八面体钻石并且可改良生长条件。因此，所生长的超级磨粒典型地为高产率、高品质且颗粒尺寸分布窄的颗粒。

Description

可控制晶种位置的超级磨粒的合成体

技术领域

本发明涉及通常合成超级磨粒的方法。从而，本发明涉及化学、冶金和材料科学领域。

背景技术

已发现钻石和立方氮化硼颗粒在各种研磨和切削应用中广泛用作超级磨料。全世界钻石颗粒的消耗量目前超过400公吨。加入了超级磨粒的常用工具包括切削工具、钻头、圆锯、砂轮、研磨带、抛光垫等等。通常，钻石砂粒可划分为三个不同的尺寸范围：用于锯切的粗孔锯切砂粒(美国筛目数(mesh)18至60筛目，或1毫米至0.23毫米)、用于研磨的中等尺寸研磨砂粒(美国筛目数60至400筛目，230微米至37微米)以及用于抛光的精细的微米级钻石粉末(美国筛目数小于400筛目)。

在钻石超级磨料中，锯切用钻石具有最大的颗粒尺寸，约为18至60筛目。高品质的锯切用钻石一般是自形的，具有充分生长的结晶面。此外，高品质的锯切用钻石应具有非常少的瑕疵或杂质。锯切用钻石的标准应用需要高品质的钻石。这至少部分地是由于在切削过程中、特别是在高速切削过程中所遇到的高冲击力。相反地，较小的钻石颗粒(亦即60至400筛目或0.25毫米至37微米的钻石颗粒，诸如在砂轮中所用的)在表面上产生划痕，以逐渐从工件上除去材料。在该等研磨应用中，其冲击力一般比切削应用中的冲击力小得多。因此，可以制造商业上令人满意的较小的钻石，而其所产生的瑕疵和杂质将会较少被关注--这些瑕疵和杂质相比对于较大的钻石诸如锯用钻石来说，通常是可以接受的。

超级磨料一般地是在超高压如约5.5GPa和高温如1300℃下形成的。钻石砂粒的品质一般由其生长速度控制。较慢的生长速度可使得该晶体形态更完全地形成且内部瑕疵量更低。高品质、结晶良好的钻石砂粒可显示出较高的冲击强度，适合于更强烈的锯切行为。瑕疵(例如金属杂质)数量也会影响该钻石砂粒的热稳定性。一内部杂质更少的钻石可耐受更高的加工温度(例如1000℃)，一般地可用于制造无退化的钻石工具。杂质含量较少的钻石在产生热的切削端部分的磨损也会较慢。

钻石砂粒一般是在一种熔融金属的催化作用下通过将石墨转化为钻石而生成的。该熔融金属也可用作碳的溶剂。用于合成钻石的一般催化剂包括铁、镍、钴、锰或者它们的合金。钻石的生长速度可由压力和温度控制。一般而言，使钻石稳定所要求的过压越低和/或者熔融该金属催化剂所需要的过热温度越低，则其生长速度越慢。例如，为了在因瓦合金(Invar composition)组合物之铁和镍熔融合金(Fe65-Ni35)中生长锯切砂粒，其压力约为5.2GPa，温度约为1270℃。

一旦确定用于合成特定品质级别的钻石的生长速度，可以通过生长时间来确定其尺寸。因为所述锯切砂粒比研磨砂粒大的多，所以它们需要较长的生长时间。例如，生长到30/40筛目可能需要45分钟；而40/50筛目，需要25分钟。相反地，生长到100/120筛目可能需要2分钟；而200/230筛目时，为1分钟。微米级的钻石一般可通过将较大的钻石，特别是瑕疵较多的较大钻石研磨成粉而制得。

随着钻石生长的时间增加，控制压力和温度更为困难。然而，在晶体生长期间的超高压条件下，由于随着钻石形成时伴随的体积收缩，所以其压力趋向于不断衰减。进一步而言，由于随着钻石形成时伴随的电阻增加，所以在所述生长区域内的温度会升高。因此，保持满足钻石砂粒的均匀生长的最佳的压力和温度条件是非常困难的。与生长较小的研磨砂粒所需时间(例如约1分钟)相比，锯切用钻石砂粒一般地要在超高压力下、经过更长的时间(例如40分钟)才生长出来。因此，生长锯切用钻石砂粒是非常困难的，特别是那些高品质钻石。具有高冲击强度的锯切砂粒的特征在于：自形的晶体形状并且金属或者石墨的杂质含量非常低。因此，为生产高品质的钻石，需要在长时期内非常严格地控制压力和温度。

这些困难部分地说明了生长锯切砂粒的公司众多，然而能够生长具有较大尺寸的高级锯切砂粒的公司却非常少的原因。因此，很少公司能够掌握生长粗锯切砂粒，特别是生长具有高品质、高冲击强度以及高热稳定性的粗锯切砂粒的技术。

合成较大的高品质钻石的一般方法包括：确保原料诸如石墨和金属催化剂的均匀性以及谨慎控制工作温度和压力。在钻石生长中所用的高温高压(HPHT)制程可采用超过200立方厘米的反应体积。最经常地，在该反应体积中石墨到钻石的转化率可高达约30％。不幸地，常规方法也导致所述晶体具有外部瑕疵，例如粗糙的表面以及不期望存在的杂质，例如金属和碳杂质。因此，将可接受的高强度钻石从强度较低的劣质钻石中分离出时，会导致成本增加。

在合成高品质锯切用钻石中考虑的一个主要因素是提供使得钻石可以均匀地且几乎同时地成核的条件。随机的成核方法一般允许浪费原料的一些区域，而其他区域密集地聚集着瑕疵比率高的钻石晶体。一些钻石合成方法稍微改善了成核均匀性；然而，在钻石生长期间，可能发生局部压力改变。如果加热是通过使电流直接通过该反应单元而完成的，那么钻石的生长也会干扰用于控制加热的电流。这种干扰的结果使得遍及各反应单元内的温度和压力梯度的不均匀性和波动，以及造成的晶体尺寸、晶体形状以及杂质含量的分布很广。尽管具有这些困难，通过提供非常均匀的起始原料并谨慎地控制制程条件，该反应单元的体积效率一般仍然小于2至3克拉/立方厘米。此边缘产率仍然浪费了大量的原料，降低了生产效率，并为改良提供了充足的空间。

其他合成大的工业钻石颗粒的方法包括形成石墨和/或催化剂的固体圆片层。然后在石墨和催化剂层之间的介面上进行钻石的成核过程。然而，这样的材料本质上是不均匀的。例如，切成圆片的石墨棒的燃点可随区域不同而变化，从而影响了该圆片的微观结构和组成。进一步而言，在石墨加工成棒的机械形成过程中，会改变石墨的微观结构，例如其外部区域在挤压过程中表现出集肤效应。结果，石墨圆片各区域的孔隙率、石墨化度、灰分含量等等趋向于发生变化。类似地，当金属原子和晶体结构在冷却过程中趋于分离时，催化剂圆片具有变化的合金组成。此外，在挤压和机械形成制程中，不同区域的合金组成甚至进一步变化。结果，石墨和金属催化剂的局部浓度和性能在整个固体圆片中会有数个百分比的差异。在这样的条件下生长的钻石趋于在不同时间成核，经历不同的生长速度，从而制得宽泛的尺寸分布的钻石，并且由于交互生长、过度生长--亦即快生长速度，以及不均匀生长--亦即不对称生长，如图19A，19B和22所示而增加了有瑕疵钻石的数量。

近来，致力于使用粉末材料进一步提高工业钻石颗粒的产率。这些方法尝试将石墨和催化剂粉末均匀地混合在一起从而实现改良的钻石成核现象。然而，钻石成核仍然是随机发生的，亦即尺寸分布很宽，但在高温高压HPHT条件下整体粉末的分布稍微均匀，如图23所示。这类方法已经获得一些成功并导致高达3克拉/立方厘米的改良产率。进一步而言，特定尺寸的高品质钻石的产率也提高至采用传统层状圆片法所获得的钻石的五倍。但是，粉末混合法是难于控制的。例如，石墨和金属催化剂材料的密度差别很大，将它们混合均匀非常困难。此外，粉末混合物法通常要求甚至比层状法更为严格的制程条件控制。

因此，要继续通过研究和发展寻求进一步提高品质和产率的适合于工业使用的大钻石颗粒的方法。

发明内容

本发明者已经认识到，开发一种具有高产率、尺寸分布窄的合成高品质工业超级磨粒的方法是有益的。

一方面，本发明通过提供一种在超级磨料的合成中控制成核位置的方法以解决上述所列问题。上述方法可包括形成一原料层、毗邻于该原料层形成一颗粒催化剂层、以及在催化剂层和原料的至少一层的预设图样中放置晶种，从而形成一生长前体。优选地，晶种被催化剂材料充分地围绕。在另一可选实施例中，如果将所述晶种放置在该原料层中，则将其涂覆上一层金属催化剂。

本发明方法可应用于形成超级磨料诸如钻石和立方氮化硼(cBN)。不论是哪种，该晶种可以为钻石晶种，cBN晶种，碳化硅(SiC)晶种，或其混合物。

在一具体的方面，该催化剂层可基本上由催化剂材料组成。适合于钻石合成的催化剂材料可包括碳溶剂，诸如Fe，Ni，Co，Mn，Cr及其合金。与本发明相关联地，已经证实铁镍合金是有益的，并且可从商业上容易地取得。适于合成cBN的催化剂材料可包括碱金属、碱土金属及其混合物。

该原料层的组成依赖于所要合成的超级磨料的类型。涉及钻石合成，一般使用一碳源层。在本发明的另一具体方面，该碳源层主要是石墨。而且，根据本发明，石墨化度优选大于0.50。所述的碳源层可以被形成为一颗粒层或一固态石墨板。类似地，适合于cBN合成的原料层为一种六方氮化硼源层。

在本发明的另一方面，该生长前体包括多个交替的原料和催化剂层。根据所使用的HPHT装置的反应体积，层数可在单层至三十层或更多层之间。在另一具体方面，该生长前体包括多个颗粒催化剂层，每一层具有在预设图样中放置的多个晶种。这些预设图样可容纳不同尺寸或类型的晶种。进一步地，该预设图样包括在每层中的晶种布置，和对应于各层之间的晶种图样的、逐层都不同的特定图样。

采用任意量的已知的HPHT装置，诸如但不限于带式装置、六面顶压机、环形装置、滑动砧、分裂球装置、分裂模装置等等，可保持适合的生长条件。若使用此类设备，则该生长前体可被保持一温度和压力下，该温度和压力使得钻石或cBN维持在热力学稳定的状态下一段时间，以足够让钻石或cBN超级磨料的生长。方便地，至少部分地将所述晶种放置在一层颗粒催化剂层中可提供非常均匀的生长条件，与一般的合成制程中要求的条件相比，该生长条件显得不是很苛刻。从而，在预设图样中晶种的布置有助于改善晶体生长的均匀性、成核时间，并减少晶体和非生长区的交互生长，同时提供颗粒催化剂层以帮助增加含极少瑕疵的晶体生长的均匀性。

根据本发明的另一方面，可在一预设图样中采用任意数量的方法放置所述晶种。一种方法包括在该催化剂层上放置一具有孔状图样的模板。每个孔均被成型用以接受一个单晶晶种。然后在所述孔中填充晶种。随后将所述晶种至少部分地压入该催化剂层。可在将所述晶种压入该催化剂层之前或之后去除所述模板。

在一任选实施例中，使用转换片将所述晶种放置在该催化剂层上的预设图样中。在另一任选实施例中，可使用一真空吸盘定向并将所述晶种放置在预设图样中。

本发明所生长的超级磨料为高产率、高品质的钻石颗粒，且其尺寸分布窄。一般地，由碳转化为钻石颗粒的期望的产率为约30％至约80％。进一步地，高品质钻石的百分比为总产量的50％至约90％。作为本发明的效率的又一实例，本发明所生长的钻石的尺寸分布窄，标准偏离小于前述传统方法的一半。此外，本发明所生长的钻石含有的杂质非常少。

因此，已概括了本发明的相当广泛的不同特征，以便可以更好地理解下文的详细描述，而且可以更好地认识到本发明对该技术的贡献。从接下来的对本发明的详细描述，结合所附的权利要求书，本发明的其他特征将变得更为清晰，或者可通过实施本发明而得知。

通过下文的详细说明，结合所附的图例和说明，通过本发明的实例、特征，可以显而易见地看出本发明的其他特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例原料层和颗粒催化剂层上具有模板的侧视图；

图2A是根据本发明一个实施例的模板的顶视图；

图2B是根据本发明另一实施例的模板的顶视图；

图3是图1元件的侧视图，该元件含有根据本发明一个实施例、一在预设图样中放置的晶种；

图4是根据本发明一个实施例将所述晶种挤压入该催化剂层的侧视图；

图5是根据本发明一个实施例的生长前体的侧视图；

图6是根据本发明一个实施例的多层生长前体的侧视图；

图7是根据本发明另一实施例的多层生长前体的侧视图；

图8A和8B是在本发明一个实施例中使用的涂覆镍的钻石晶种的显微照片；

图9A是钻石的一个八面体(111)面的透视图；

图9B是具有一个自由电子的单个碳原子的透视图；

图9C是褶皱状石墨平面的透视图；

图10A是石墨平面的透视图；

图10B是由图10A石墨平面形成的类钻碳的透视图；

图10C是图10B的类钻碳形成的钻石的透视图；

图11A是钻石的单个立方体(100)面的透视图；

图11B是具有两个自由电子的单个碳原子的透视图；

图11C是沿立方体面生长的钻石的透视图；

图12A是根据本发明一个实施例的具有连续催化剂包层的生长的钻石的侧视截面图；

图12B是根据本发明一个实施例的部件36放大的侧视截面图，该部件显示了钻石生长的立方体面；

图12C是根据本发明一个实施例的部件38放大的侧视截面图，该部件显示了钻石生长的八面体面；

图13A是根据本发明一个实施例的生长钻石的侧视截面图，该生长钻石是通过控制在所述八面体面上的生长而形成另一立方体钻石；

图13B是根据本发明一个实施例的生长钻石的侧视截面图，该生长钻石通过控制所述立方体上的生长而形成另一八面体钻石；

图14是一系列钻石的晶体形态，以及相应的生长参数；

图15是大量立方-八面体钻石的显微照片；

图16是阐明使用本发明方法的大量生长因素和作用的曲线图；

图17显示了一个根据本发明一个实施例的一部分多层元件--诸如图6所示的侧视图，该多层元件是在HPHT工序和确定晶体生长的各个方面之后的元件；

图18是根据本发明一个实施例的所生长的钻石元件的显微照片，其显示了非常均匀的尺寸分布和均匀的晶体形状；

图19A是根据现有技术所生长的钻石元件的显微照片，其显示出不均匀的尺寸分布和不均匀的晶体形状；

图19B是从图19A的元件所回收的未经分类且未分大小的钻石的显微照片；

图20A是根据本发明一个实施例的所生长的钻石元件的显微照片，其显示了非常均匀的尺寸分布和均匀的晶体形状；

图20B是从图20A的元件回收的未经分类且未分大小的立方-八面体钻石的显微照片；

图21A是根据本发明一个实施例的所生长的钻石部件的显微照片，其显示了非常均匀的尺寸分布和均匀的晶体形状；

图21B是从主要为八面体钻石的图20A的元件回收的未经分类且未分大小的钻石的显微照片；

图22是由交替板法生长的传统钻石元件的显微照片，其突出了不均匀尺寸分布以及不均匀的晶体形状；而

图23是使用已知的粉末法生长的钻石元件的显微照片，它显示出优于传统方法的一些改良，但该钻石元件仍然存在稍微不均匀的尺寸分布和不均匀的晶体形状，

具体实施方式

这里将参照下图中所阐明的代表性实施例，并在本文中使用特定的语言来描述它们。然而，不应将其理解为试图限制本发明的范围。此处阐明的本发明的部件、制程步骤以及材料的替换和进一步的修正，以及此处阐明的本发明的实质的其他应用，对于知道上述公开内容的相关领域技术人员来说是可以想到的，应当认为属于本发明的范围。也应了解，本文中所使用的术语仅仅为了描述特定实施方案的目的，并不受限制。

A.定义

在本发明说明书和权利要求书中，将使用下列术语。

除非上下文明确地另行规定，否则提及单数形式时亦包括多个物件。因此，例如提到“一基质材料”时包括提到一种或多种此类材料的情况，而提到“一合金”包括提到一种或多种此类合金的情况。

如本文中所使用的，在与层有关时使用“颗粒”，表明该层由颗粒组成。一般地，本发明的颗粒层可为松散的粉末、压缩的粉末或基本上不含烧结颗粒的压实粉末。这些颗粒层可为多孔或半多孔压坯。可采用任何已知的压实制程形成压实的颗粒层，诸如但不限于湿式或干式冷压实，诸如冷均压、冲模压实、滚压、射出成型、粉浆浇铸等等。本发明中所使用的颗粒材料例如石墨和金属催化剂粉末最佳可在惰性环境中进行处理和储存，以防止氧化或污染。

如本文中所使用的，“基本上不含”或类似的表述是指在一组合物中没有指定的元素或试剂。特别地，被指定为基本上不含的元素，在该组合物中完全不存在，或者仅包括极少量以至于在该组合物中无法测量。

如本文中所使用的，“预设图样”是指一种在前体形成之前所指定的非随机模型，并按照与其他晶种具有确定关联的方式分别放置或设置每个晶种。例如，“将钻石种按照预设图样放置”是指把各个颗粒放置在特定的、非随机的且预选的位置上。进一步地，此类图案并不限于均匀的网格或偏置的蜂窝形图样，而是可包括基于所使用的生长条件和材料的任何构型。

如本文中所使用的，“均匀的网格图样”是指在所有方向上与另一颗粒等距离的钻石颗粒的图样。

如本文中所使用的，“基质”是指一固体金属材料。尽管许多固体金属材料是金属颗粒烧结或压实的产物，然而应了解，本文中所使用的“基质”不包括尚未烧结或压实为固体块或形状的粉末状或颗粒状金属材料。

如本文中所使用的，“合金”是指一种金属与第二种材料的固体或液体溶液，所述的第二种材料可以是非金属，例如碳，可以是金属或可增强或改善该金属性能的合金。

如本文中所使用的，“晶种”是指可生成更大的结晶颗粒的起始物料颗粒。如本文中所使用的，“晶种”一般地包括钻石晶种，cBN晶种以及SiC晶种。例如，超级钻石的生长通常采用钻石晶种获得；但是cBN和/或SiC晶种也可用于生长超级钻石。类似地，可采用钻石、cBN和/或SiC晶种生长cBN。

如本文中所使用的，“钻石晶种”是指天然或合成的钻石颗粒、超硬晶体或多晶晶体物质，或者各物质的混合物，其包括但不限于钻石、多晶晶体钻石(PCD)。可用钻石晶种作为起始材料，以生长较大的钻石晶体，有助于避免随机成核并有助于钻石的生长。

如本文中所使用的，“超级磨粒”是指适合用作研磨剂的颗粒，包括钻石和cBN颗粒。

如本文中所使用的，“前体”是指一种由晶种、颗粒催化剂层和原料层构成的元。前体阐明了在HPHT生长制程之前的一种所述元件。这类未烧结的前体有时是指“生坯”。

如本文中所使用的，“板”是指一种部分烧结、完全烧结或结构上无孔的晶体的块状材料。这区别于一种包含基本上未烧结的颗粒的压实或挤压粉末。板一般地为圆形或圆片状；然而，也可使用其他功能型的形状，例如方形。

如本文中所使用的，“石墨化度”是指含有理论距离为3.354埃的石墨平面的石墨的比率。因此，石墨化度为1表示100％的石墨的石墨平面，也即碳原子六角网面的基面间距(d₍₀₀₀₂₎)为3.354埃。石墨化度较高表示石墨平面的间距较小。石墨化度G可由方程式1计算。

G＝(3.440-d₍₀₀₀₂₎)/(3.440-3.354)       (1)

反过来，d₍₀₀₀₂₎可基于G采用方程式2计算。

d₍₀₀₀₂₎＝3.354+0.086(1-G)              (2)

至于方程式1中，3.440埃是无定形碳基面的间距，而3.354埃是纯石墨

的间距，所述纯石墨可通过在3000℃下将可石墨化碳烧结相当长时间，如12小时而获得。较高的石墨化度对应于较大的晶粒尺寸，其可由基面尺寸(L_a)和堆叠层尺寸(L_c)表征。应注意，尺寸参数反过来与基面间距相关。表1显示了几种常见的石墨类型的晶体性能。

表1

如本文中所使用的，“孔”是指穿过一模板表面的开口，根据预期的应用具有预定的尺寸和形状。例如，可通过设计该孔尺寸以容纳给定筛孔尺寸的多个晶种。然而，设计所述孔以使得每个孔中仅容纳一粒晶种经常是非常需要的。

如本文中所使用的，“杂质”是指在钻石的生长表面与周围材料之间的介面上形成的是碳或金属沈积物而不是钻石。由于钻石生长表面存在相当大数量的碳和/或在HPHT生长期间对温度和压力条件控制不适当，因此形成杂质是最常见的。在cBN合成期间也会形成类似的杂质和瑕疵。

如本文中所使用的，“自形”意为自发形成或一种包含天然结晶面的、具有未改变的天然形状的晶体。

如本文中所使用的，“八面体”是指结晶面主要为(111)面的晶体形态。八面体钻石晶体一般地具有如图14(最右边)和图21B(主要为八面体钻石)的八个三角形面。

本文中，可以在一个范围格式内列出浓度、数量和其他资料。应理解使用这种范围格式仅仅是为了方便和简洁，并且应该将其进行灵活地解释为不仅包括例如明确列举为范围界限的数值，而且包括所有单独的数值或包含在其范围内的子范围，如同明确地列举出各个数值和子范围一样。

例如，约1至约4.5的数值范围应被理解为不仅包括明确列举的1至约4.5的限制，而且也包括诸如2，3，4的单独数值以及诸如1至3，2至4等的子范围。同样的原则适应于仅列举一个数值的范围，诸如“少于约4.5”，应理解为包括所有上述列举的数值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的宽度如何，此解释都将适用。

B.本发明

现在将提到所述图，其中将给与本发明的各种元素数值标记，并将讨论本发明。应理解下述描述仅为本发明代表性的原则，而不应被视为对所附权利要求书的范围的缩小。

本发明包括一种在超级磨粒合成过程中控制成核位置的方法。通常，本发明方法可用于由相应的晶种形成钻石或cBN超级磨粒。然而，应了解本发明的原则对于制备其他晶种颗粒也是有益的。

层状生长前体

现在谈及图1，可形成一原料层12。该原料层可为一颗粒层或一固体板。在本发明的一方面，该原料层可为一颗粒层。在本发明的一个实施例中，可由松散的粉末形成该原料层。将该松散的粉末放置在一模具中并任选地采用任何已知的模压技术挤压。例如，尽管孔隙率小于约30％一般地是令人满意的，然而采用冷均压法在约200MPa下挤压该粉末可得到约8％至约15％的孔隙率。使用颗粒层可以很容易地在其中放置晶种，并避免在所述晶种周围形成大空隙。

该原料层可包括任何能够提供用于生长所期望的超级磨粒原料的材料。特别地，碳源可用于钻石的生长，而低压态的氮化硼诸如六方氮化硼可用于cBN的生长。在钻石的生长条件下，该碳源层可包含诸如石墨、无定形碳、钻石粉等的碳源材料。在本发明的一方面，该碳源层可包括石墨。尽管可使用各种碳源材料，但石墨通常可使晶体生长良好，并提高所生长的钻石的均匀性。当用石墨作为碳源材料时，优选地该碳源材料包括至少85重量％的石墨。对于将石墨形成颗粒层的实施方式中，适宜的石墨粉一般为约1微米至约1毫米。在本发明的一个具体方面，该石墨的石墨化度可大于0.50。优选地，该石墨的石墨化度为约0.75至约1，某些情况下大于约0.80。然而，石墨化度最优选是约0.85至约1。实验显示，石墨化度越高，对应的晶粒尺寸越大，并且改善了所生长的钻石的品质和均匀性。钻石一般是在熔融金属催化剂的存在下通过石墨平面的折叠和弯曲而形成。因此，可通过提供石墨化度高的石墨来实现钻石形成的改良。

基于本发明的另一方面，邻近原料层12可形成一颗粒催化剂层14。该颗粒催化剂层可由金属催化剂粉末形成。本发明所形成的金属催化剂层为一松散粉末、多孔压坯或其他基本上未烧结的块体。可通过将该松散粉末放置在邻近该原料层的适合模具中而直接使用。此种松散粉末任选地采用已知模压技术挤压成圆片。或者，使该金属催化剂粉末形成一圆片，随后将其放置在邻近该原料层处。

在一优选实施例中，该颗粒催化剂层不含粘结剂，不含油和有机材料。此外，本发明的颗粒催化剂层基本上由金属催化剂粉末组成。在其生长过程中，有机材料的存在会在所生长的超硬晶体结构中导致不期待的瑕疵和不均匀性。提供一颗粒催化剂层可使晶种容易地包埋入该催化剂层中，下文将有更为详细的描述。由于缺少有机粘结剂及其类似物，使得所述元件和圆片比包含有机粘结剂的更为易碎，所以在处理此类颗粒层时需谨慎。因此，在本发明的一些实施例中，期望采用一固体板作为原料层从而为该元件提供额外的机械支援。在一任选实施方式中，将原料层和催化剂层挤压在一起，形成一种方便的供应品的两层元件以在本发明方法中使用。在本发明的一方面，该颗粒催化剂层的孔隙率可小于约33％。

在本发明的一个具体方面，该催化剂层可包括一种适合于所期待的超级磨粒生长的催化剂材料。适合钻石合成的催化剂材料包括含有任一金属或合金的金属催化剂粉末，其中该金属或合金是能够促进碳源材料生长为钻石的碳溶剂。适合的金属催化剂材料的非限制实例可包括铁(Fe)，镍(Ni)，钴(Co)，锰(Mn)，铬(Cr)及其合金。几种常用的金属催化剂合金可包括镍铁合金(Fe-Ni)，例如因瓦合金，镍钴合金(Fe-Co)，镍锰钴合金(Ni-Mn-Co)等等。目前优选的金属催化剂材料为Fe-Ni合金，诸如Fe-35Ni，Fe-31Ni-5Co，Fe-30Ni以及其他因瓦合金，其中Fe-35Ni是最优选的且更易于取得。通常，适合的Fe-Ni合金具有由约10重量％至约50重量％的镍含量。此外，在钻石合成过程中催化剂材料包括可控制钻石的生长速度也即可通过抑制碳扩散，并可防止过多氮和/或氧扩散进入钻石的添加剂。适合的添加剂包括镁(Mg)，钙(Ca)，硅(Si)，钼(Mo)，锆(Zr)，铊(Ti)，钒(V)，铌(Nb)，锌(Zn)，钇(Y)，钨(W)，铜(Cu)，铝(Al)，金(Au)，银(Ag)，铅(Pb)，硼(B)，锗(Ge)，铟(In)，钐(Sm)以及这些材料与碳(C)和B的化合物。

类似地，适合cBN合成的催化剂材料包括任何能够促进从适宜的氮化硼原料中生长cBN的催化剂。适合cBN生长的催化剂材料的非限制实例包括碱金属、碱土金属及其混合物。此类催化剂材料的几种特别实例包括锂、钠、钙、镁、钡，碱金属和碱土金属的氮化物，例如氮化锂(Li₃N)，氮化钙(Ca₃N₂)，氮化镁(Mg₃N₂)，氮硼化钙(CaBN₂)，以及氮硼化锂(Li₃BN₂)。此外，该催化剂材料包括Al，铁(Fe)-，Co，Ni及其合金。在cBN合成条件下，所述催化剂材料尚可包括非常少量的控制cBN晶体生长速度的添加剂，诸如Si，Mo，Zr，Ti，Al，铂(Pt)，Pb，锡(Sn)，B，C，以及这些材料与Si，B和N的化合物。

该颗粒催化剂层14的尺寸可在相当大程度上变化。然而，该层厚度应允许原料，诸如碳，向所述晶种扩散，从而足以使晶体在晶种和周围催化剂材料之间的介面上生长。在本发明的一方面，该原料层和/或颗粒催化剂层可通过冷压粉末法形成一粘块而成型之，然后将该粘块切成诸如圆片的薄层用于本发明。将所压制圆片储存以备随后使用，并可容易地放入如上所述的模具中。

现在谈及图3，根据本发明，将晶种20放置在该颗粒催化剂层14上的预设图样内。通过在规则的预设图样中放置晶种，可使生长条件最优化从而高效地利用可生长体积，提高晶体品质并减少所生长的超级磨粒的尺寸分布。所述晶种是在其上可生长钻石或cBN的任何适宜的晶种材料。在本发明的一方面，所述晶种可为钻石晶种、cBN晶种或SiC晶种。合成钻石或cBN均可采用此类晶种。经常地，钻石晶种是合成钻石的优选晶种。进一步地，在合成cBN的一些实施例中，可采用cBN晶种。作为选择，所述晶种可为多晶颗粒以使得多个较小的晶体键合在一起，形成每个晶种。最经常地，当将晶种放入该催化剂层中时，所述晶种最佳为未涂覆晶种，亦即它们不包括额外的金属或其他的在晶种周围的涂层。

一般地，所述晶种的直径为约30微米至约500微米优选为约55微米至约500微米。然而，本发明是非常理想的，适合于模型布置并且几乎适合于任一尺寸晶种的生长。采用较大的晶种也可减少制造大的超级磨粒所需生长时间。特别地，尽管上述范围也可有效地使用，但适合本发明使用的钻石晶种--约200微米至约500微米，比一般的钻石晶种要大。作为选择，所述晶种的直径为约10微米至约50微米，某些情况下为约20微米至50微米。本发明方法允许延长生长时间，同时也可避免混入杂质。作为一般的原则，一般晶种的平均直径是所期望的生长的超级磨粒平均直径的约0.05至约0.2倍。在一个具体方面，适合的晶种可以是IIa型钻石以及合成的或天然的钻石。作为选择，可采用合成的cBN或SiC晶种。在另外的实施方式中，所述晶种为不同类型晶种的混合物，也即钻石晶种、cBN晶种以及SiC晶种中的两种或更多。

可以采用许多方法完成具有预设图样的晶种的布置。在一实施方式中，采用一模板将所述晶种布置在预设图样内以引导晶种的放置。图1表示放置在颗粒催化剂层14上的模板16的侧视图。为了提高连贯性和准确性，可任选地采用定位销或类似物排列该模板。

适合的模板可由几乎任何可形成孔状图样的材料形成。可调整孔18的大小使每个孔中容纳一个单晶晶种20。所述孔一般为圆形；然而，也可采用任何其他形状的颗粒。一般，模板16由一诸如不锈钢、镍、铝的金属板或硬塑胶板形成。然而，也可用其他材料诸如聚合物、陶瓷或复合材料形成该模板。在本发明的一方面，该模板可通过形成如图1和图3所示的完全贯穿整个材料的孔而制备。作为选择，可仅仅部分地穿过材料形成痕点或凹痕，从而形成所述孔。在此实施例中，该模板也可作为转换片从而将所述晶种放置在一基质上。在任何情况下，可采用任何已知的方法诸如机械或化学的方法形成所述孔。几个实例包括镭射钻孔、微型钻孔、电脑数位化控制(CNC)钻孔、化学蚀刻等。在本发明的一方面，该模板为一筛子。

该预设图样几乎可为按照适合晶体生长的距离放置所述晶种的任何图样。图2A阐明一实施例，其中该预设图样为模板16中孔18的规则网格图样，其中该模板可用于在x和y方向上等距离地放置晶种。作为选择，该预设图样可以是如图2B所示的一系列偏移行。在另一实施例中，可形成所述孔18，从而布置不同浓度的晶种，甚至可在该颗粒催化剂层14(图3)上放置不同尺寸的晶种。例如，可通过首先放置较大的晶种填充较大的孔，然后通过较小筛孔的晶种填充较小的孔而实现填充孔尺寸不同的预设图样。

在模板16中，孔18的间距稍有变化。然而，应形成所述孔，从而可以400微米至1.5毫米的间距分别放置各个晶种。本领域技术人员将认识到，该范围以外的间距也可使用，并取决于晶体的尺寸和所期望的最终生长的超级磨粒的尺寸。需要注意的是，这些距离是从中心至中心测量所得。再者，形成所述孔以使晶种按一定距离分开放置，使得每个晶种都有足够的空间接受原料而不与邻近的晶体进行竞争。根据超级磨粒的期望的最终尺寸，所生长的超级磨粒间的距离从约300微米变化至约1000微米，尽管也可使用超出该范围的距离。一般地，相邻两超级磨粒之边缘的间距，至少是超级磨粒之最终直径的0.8倍长度，优选是最终直径的约1.2倍至约3倍。例如，可采用约800微米至900微米的间距，可生长直径约425微米至约600微米(30/40筛目)的颗粒。在另一实例中，所生长的超级磨粒间约650微米的间距允许具有约45筛目尺寸的颗粒，而约800微米的间距允许约35筛目的较大生长颗粒。在另一实例中，可采用约700微米至约1.5毫米的间距生长30/40筛目(600微米至425微米)的钻石。孔之间过大的间距会导致浪费大量的空间和原料，而放置晶种的孔间距太紧密也会导致大量晶体生长在一起。本领域技术人员可适当地调整间距以弥补HPHT生长过程中的收缩。

尽管不需要，但在放置晶种前可在其表面上放置一薄层粘结剂。这有助于防止晶种离开其预定位置，并进一步提高在制造过程中操作的容易程度。适合的粘结剂包括但不限于，有机粘结剂诸如丙烯酸粘结剂、蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇、石蜡、萘、聚乙烯缩丁醛树脂、酚醛树脂、蜡乳液及其混合物。

如图3所示，将晶种20放入模板16的孔18中。过量的晶种遍布于该模板表面，从而使得每个孔中填充一个单晶晶种。将过量的晶种扫除或者另外将其去除，留下如图3所示的放置在颗粒催化剂层14上的颗粒。该模板的厚度可根据晶种尺寸和制程而变化。一般地，该模板的厚度为所述晶种直径约0.6倍至约1.1倍。一旦将所述晶种放置在模板的孔中，就将该模板去除，留下在该颗粒催化剂层上的预设图样内的晶种。随后根据其条件重复使用或丢弃该模板。如图4所示，可用金属板22或其他硬质表面将所述晶种20至少部分地压入该颗粒催化剂层14中。任选地，如果该模板的厚度小于晶种直径，则在挤压期间该模板将被留在适当的位置，以控制包埋入该催化剂层的晶种的距离，随后将其去除。在本发明的一个实施方式中，将晶种20挤压入该催化剂层，使一半至整个颗粒被埋入该催化剂层。一方面，可将晶种完全挤压进该催化剂层，从而使每个晶种基本上均被催化剂材料包围。

根据本发明，晶种20的任何暴露部分均被额外的金属催化剂材料覆盖，以使该催化剂材料基本上包围每个晶种，从而形成一生长前体24，如图5所示。一般地，在本发明的这一实施例中，该初始颗粒催化剂层14(图1、图3和图4)的厚度为晶种直径的约0.5倍至约0.9倍，优选为约0.7倍。所述暴露的晶种可通过在所述暴露的晶种上放置额外的催化剂材料而被覆盖，然后任选地进行挤压，从而将孔隙率减少到小于约33％，以制得如图5中所示的生长前体24。

在一个另外的实施例中，尽管由于固体板中固有的一些非均匀性，粉末状金属催化剂是优选的，所述晶种的暴露部分仍被金属催化剂板或箔覆盖。该颗粒催化剂层14的厚度优选应足以在起初时完全包围每个晶种。在晶体生长期间，该金属催化剂材料持续地润湿晶种表面。因此，该颗粒催化剂的厚度无需大于所生长的超级磨粒的直径。

在钻石合成期间，石墨与金属催化剂的比率可决定原料形成钻石的利用率。一般地，石墨与金属催化剂的比率范围按重量计为约0.5至约2.0，优选为约0.7至约1.5。一方面，所提供的金属催化剂的数量足以在生长条件下形成一层熔融的金属催化剂，其厚度是生长期间钻石直径的约20％至约60％。

现在谈及图6，形成另外的原料层12和颗粒催化剂层14，以改良高温高压(HPHT)设备单元体积的有效利用。每层的厚度取决于晶种20的直径和最终所生长的超级磨粒的设计直径。此外，所述层的厚度也将影响邻近催化剂层中晶种间的距离。使每一颗粒催化剂层中的预设图样构造成型，从而使该元件在如图6的装配层上贯穿生长前体24的厚度内也可显示出预定图样。如图6所示的图样为一偏移图样；然而只要所生长的晶体不与邻近的晶体紧密接触，就可采用任何适宜的布置。一般地，所述颗粒催化剂层的厚度为约50微米至约500微米，同时原料层的厚度为约70微米至约1毫米。本领域技术人员将认识到也可采用超出确定范围之外的厚度和构造。

一般的HPHT反应单元的反应体积为约15立方厘米至约100立方厘米。因此，在生长前体中包括很多层，从而充分利用晶体生长的有效反应体积经常是可行的。在本发明的一方面，该生长前体为约3层至约50层。此外，每层的形成和晶体的放置的前后可增加一挤压步骤，以便减少生长前体的孔隙率并提高其粘结性。从而，在一优选实施例中，在挤压整个多层生长前体前可先挤压每一层。尽管也可采用其他模压技术，然而采用冷均压法完成挤压是较佳的。

在预设图样中放置晶种

如上所述，可采用任何方法在预设图样中放置所述晶种。本领域普通技术人员将认可在表面或基质上的期待位置放置颗粒的各种方法。已经开发了大量的技术用于在模中放置超级磨粒，从而制造研磨工具。例如，美国专利第2,876,086号、第4,680,199号、第4,925,457号、第5,380,390号以及第6,286,498号，其均以引用方式并入本文中，揭示了在模中放置超级磨粒以形成各种研磨工具的方法。

在预设图样中放置晶体的又一方法可包括提供一种其上具有粘结层的转换片。该转换片可为自承式、能够将晶种传输至催化剂层的任何材料。然后将一模板，诸如上文讨论的，放置在该粘结层上。优选，该粘结层具有足够粘性，以保持与该粘结剂接触的晶种，同时也能够将其从该模板上容易地移除。粘性适中、适合使用且含有转换片的粘结剂的非限制性的实例包括丙烯酸粘结剂和聚合物粘结剂微球，例如象在POST-IT(3M公司的商标)便条中所使用的那些。作为选择地，该模板的表面涂覆一光滑和/或非粘性的材料，诸如铁氟龙(TEFLON)或其类似物，从而利于去除模板。然后在该模板的孔中填充如上讨论的晶种。接着将该模板去除。在去除该模板之后，紧靠该催化剂层放置该转换片。该转换片被定向在所述晶种和催化剂层之间。取决于所使用的材料，可在HPHT的初始阶段分解该转换片。

此外，可定位该转换片以使得所述晶种位于该转换片和该颗粒催化剂层之间。然后将该转换片去除或留在适当的位置。为了便于在不干扰所述晶种的情况下去除该转换片，可将所述颗粒部分地压入该颗粒催化剂层。当然，也可调整该粘结层的组分以减少该粘结剂的粘性。作为选择，该转换片可为一金属催化剂层，例如在该颗粒催化剂层中使用的金属催化剂材料形成的箔或圆片。该金属催化剂箔层可保持在适当位置以利于金属催化剂材料包围所述晶种。在这一实施方式中，令人满意的是，将所述晶种部分地包埋入该箔中从而可避免使用对晶体生长起反作用的有机粘结剂。尽管使用特定的转换片制程，但所述晶种仍将至少部分地被压入该颗粒催化剂层。

在本发明的另一可选择实施方式中，可在预设图样中采用真空吸盘放置所述晶种。特别地，其中可形成具有孔状图样的真空吸盘。可构造成型所述孔以容纳单晶晶种，从而通过使所述孔中贯通真空，确保每个孔中有一个单晶晶种。从而，所述孔的初始部分的尺寸略小于该晶种并与真空源连接。实际上，真空可贯通所述孔，然后将吸盘放置在提供晶种的地方。随后吸盘被定位在该颗粒催化剂层或者任选地在一转换片上，并减小真空度到足以释放所述晶种，从而按照与吸盘中的孔状图样对应的预设图样布置所述晶种。然后将所述晶种按照如上文讨论的类似方式至少部分地挤压入该催化剂层中。

作为选择，可采用上述任一方法，也即模板法、筛分法、转换片法等等，将该晶种放置在该原料层上而不是该催化剂层上的预设图样中。应了解，也可在该原料层上使用在预设图样中放置所述晶种的上述任意一种方法。一般而言，为了防止钻石晶种与未经加工的碳或石墨直接接触，可在将钻石晶种放入该原料层之前，在其上涂覆一层金属催化剂。钻石颗粒的涂覆在工业上是熟知的，并可采用很多种可用的方法完成。一般地，可采用一金属诸如Fe，Ni，Co及其合金涂覆钻石颗粒。镍和镍合金的催化剂涂层是特别优选的。该金属涂层有助于在HPHT生长期间提供一围绕所述钻石晶种的熔融催化剂层，并防止其与石墨或其他碳原料直接接触。该涂层厚度可从约2微米变化至约50微米，但也可采用高于该范围的厚度。

在另一实施方式中，由浆体形成的多晶晶种可通过采用诸如丝网印刷、其他平版印刷技术或类似技术将该晶种放置在预设图样内。因此，所述晶种可为多晶或单晶。根据该实施方式，可通过由钻石颗粒、金属催化剂粉末、有机粘结剂和任选的溶剂形成的浆体制备该多晶晶种。该浆体可形成多个多晶晶种前体，然后去除该有机粘结剂和任选的溶剂，从而形成多晶晶种。

该钻石颗粒几乎可为任一功能尺寸。作为一般的原则，尺寸由约1微米至约15微米是有用的，一般地为约2微米至约4微米。多晶晶种的最终尺寸与这里讨论的晶种相同；然而，在许多情况下，所述多晶晶种可小于10微米。此外，该金属催化剂粉末可包括上文讨论的与其他实施方式或结合多晶晶种使用的实施方式相关的催化剂材料。一般地，该催化剂包括多晶晶种的约5体积％至约50体积％。

适合的有机粘结剂的非限制性实例包括聚乙二醇(PEG)，聚乙烯醇，甲基丙基纤维素，羧甲基纤维素，羟乙基纤维素，甲基乙基纤维素，聚乙烯缩丁醛树脂，丙烯酸树脂，煤焦油沥青，长链脂肪材料，糖，淀粉，藻酸酯，聚苯乙烯，醋酸纤维素，酚醛树脂，及其混合物。可包括任选的溶剂以调整该浆体的粘度，从而满足特别的印刷技术。适合的溶剂包括但不限于丙酮、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲醇、三氯乙烯、甲苯及其混合物。

例如，将该浆液印刷在，例如该生长前体或颗粒生长层的表面上，从而形成多晶晶种前体。该有机粘结剂和任选的溶剂在干燥和/或脱蜡步骤中被去除。例如，首先采用加热步骤去除任何溶剂，例如在100℃加热约4小时，然后采用脱蜡步骤去除有机粘结剂，例如在600℃加热约2小时(通常是在真空条件下)。最终的多晶晶种一般包括钻石颗粒和金属催化剂。当最终所生长的超级磨粒的尺寸是多晶晶种的十倍时，则达到最佳的结果。

根据本发明，已发现多晶晶种可制备最终的所生长的具有单晶结构的超级磨粒。由此看来，本发明的生长条件允许所述多晶晶种结合形成相当大的单晶。以这种方式形成的超级磨粒在应用研磨剂期间将会允许颗粒的小裂痕。一般地，超级磨粒趋于变得钝化或形成大裂纹，使得剩余的颗粒变得无用。然而，小裂痕使得颗粒周期性地暴露出新的锋利边缘，保留了大部分颗粒从而延长了使用寿命。

混合物生长前体

在本发明的又一实施方式中，一种在超级磨粒合成期间控制成核位置的方法包括形成一颗粒晶体生长层。通常，形成一生长前体，然后充分加热，以生长出具有预选形态的超级磨粒。形成的生长前体包括一种由原料和催化剂材料组成的基本上均匀的混合物。进一步地，该生长前体具有至少部分地在预设图样中的晶种。应了解，与包含一种由原料和催化剂材料组成的基本上均匀的混合物的生长前体有关时，也可使用上述涉及层状生长前体的原则和因素。

现在提及图7，该颗粒晶体生长层15是一种由原料颗粒和颗粒催化剂材料组成的基本上均匀的混合物。晶种20至少部分地被放置在该颗粒晶体生长层的预设图样中，从而采用上述相同的方法形成一生长前体24。此外，该生长前体包括如图7所示的单层或多层。上文讨论的所述材料、范围、模的放置方法以及其他方面也可应用于包含原料和催化剂材料的混合物的颗粒晶体生长层。一方面，该生长前体基本上由原料、催化剂材料和晶种组成。

如前文提及的，未经涂覆的基本上由石墨包围的钻石种是不佳的。然而，由碳源材料和催化剂的混合物包围所述钻石晶种可使该催化剂粉末润湿所述钻石晶种的表面并覆盖其表面。这种润湿效应至少部分地是钻石与金属溶剂间形成碳化物键的结果。由于该金属催化剂相对于碳是欠饱和的，所以钻石起初可溶解；然而，一旦该金属催化剂熔融，该碳就开始扩散进入该熔融催化剂。所溶解或悬浮的碳很快将粘着在该钻石晶种的表面并使得该晶种生长。

在目前的一个优选实施方式中，可在所述钻石晶种上涂覆一催化剂材料。在一些实施方式中，该涂层基本上由一催化剂材料组成。一般地，该涂层为一种催化剂材料，其熔融温度不超出该颗粒催化剂层所用催化剂材料的熔融温度的约5℃范围。这有助于避免所述金属熔融时间差异过于显著，从而降低最终所生长的钻石的品质。可采用任何已知的技术给钻石晶种涂覆一催化剂材料。钻石颗粒的涂覆历来被认为是困难的，因为大多数金属催化剂不容易在钻石上涂覆至所需要的厚度，涉及大笔费用，且/或留下不期望的有机残留材料。几种涂覆技术的实例包括但不限于电镀、化学沈积(例如化学镀)、物理气相沈积(例如喷镀)、化学气相沈积、熔盐涂覆等等。

在一实施方式中，该金属催化剂为镍；然而，其他金属催化剂也是合适的。图8A和8B显示了根据本发明一个实施方式的涂覆镍的钻石颗粒的显微照片。镍涂层一般具有非常不规则的表面形态，其特征在于：小的突起或尖峰。这种不规则的形态对于增加催化剂涂层和在生长前体的混合物中的金属催化剂之间的接触表面积具有额外的好处。以这种方式，额外的催化剂材料在晶体生长期间可容易地扩散入催化剂涂层中，以保持足够的涂层厚度，从而防止所述钻石和原料直接接触。当钻石进行生长时，钻石的表面积增加，从而趋于减少该催化剂涂层的厚度。然而，根据本发明，可通过调整该生长前体中的催化剂材料的量而保持该催化剂涂层的厚度。该催化剂涂层的厚度应足以防止该钻石和原料直接的实质性的接触。一般地，该催化剂涂层的厚度为该颗粒直径的约0.5倍至约1.3倍。例如，直径为40微米的钻石晶种经涂覆后最终的直径约为100微米。从而，在这种情况下的涂层厚度为约30微米。较大的晶种也可改良在预设图样中放置晶种的准确性和速度。当实际的物质颗粒小于约50微米时，采用模板可靠地放置是困难的。

在本发明的另一方面，将所述晶种布置在一金属催化剂层诸如箔或圆片上形成晶种的预设图样。将所述晶种以类似于上述的方式放置在该金属层上。在所述晶种的周围形成一种由催化剂材料和原料组成的基本上均匀的混合物，然后将其压实以减少该生长前体的的孔隙率。附加的层可通过随后的将另一金属催化剂层放置在该生长前体上而形成，重复上述步骤可制造具有几乎任何层数的多层生长前体。该金属催化剂层可包括任何适合该超级磨粒生长的催化剂材料。尽管可使用任一功能厚度，一般地该金属催化剂层的厚度为约20微米至约0.1毫米。通常，多层前体中的层数可根据所使用的HPHT装置而改变。一般地，该前体的高度约为其直径的80％，尽管这可以稍微变化。

该金属催化剂层可提供对该生长前体具有改善的机械支援的基本上平整的表面。此外，在该超级磨粒生长期间，该层可提供初始的催化剂材料来源，从而在正在生长的超级磨粒周围维持该催化剂涂层。当该超级磨粒继续生长时，额外的催化剂材料的主要来源是催化剂和原料的混合物。

在本发明的另一任选方面，该生长前体可沿外表面涂覆一金属涂层。适合的金属材料包括Fe，Ni，Co及其合金。外部的金属涂层有助于防止在生长条件下该前体与HPHT装置的反应单元壁粘合或键合。该涂层厚度可以是能够提供上述优点的任何厚度；然而，一般的厚度范围为约50微米至约300微米。在又一任选的方面，在邻近该HPHT装置的反应单元体积内的生长前体处可包括一层隔离材料。一般地，可用一层氯化钠(NaCl)作为隔离材料；然而，也可采用其他材料。

然后，使该生长前体经历一温度和压力，此时钻石或cBN为热力学稳定状态。随着该温度和压力升高到足够的生长条件时，原料诸如碳向所述晶种迁移。假如存在可形成此种涂层的足够的催化剂材料，则包围各个晶种的催化剂材料可形成一基本上包围各个晶种的催化剂层。该催化剂涂层有利于在所述晶种表面形成钻石或cBN。将生长条件保持预定长的时间可获得特定尺寸的所生长的超级磨粒。

方便地，本发明方法能够在很高程度上控制每个超级磨粒的生长条件。非常规则地放置晶种以及基本上均匀的生长前体组合物使得能够精确地控制整个生长前体的温度。结果，整个生长前体中，个别的超级磨粒的生长几乎是均匀的。因此，最终的超级磨粒在形状、尺寸和品质方面是非常均匀的。一般地，所生长的超级磨粒具有窄的尺寸分布，其特征为：未经分类且未分大小的颗粒平均尺寸的标准差小于约0.2。在许多情况下，平均尺寸对尺寸分布标准差小于约0.1，例如平均尺寸为约100微米的单组生长颗粒基本上不含超出约90微米到约110微米范围的颗粒。

可采用已知的任何一种方法从该生长前体中回收最终生长的超级磨粒。例如，可通过溶解在温的王水中去除任何剩余的金属基质，而可在灼热的硫酸中去除剩余的石墨。然后将所回收的超级磨粒进一步清洗并且/或制备用于商业使用。

钻石生长因素

根据本发明，生长前体包括位于控制位置的钻石晶种，从而使每个晶种基本上都经历同样的生长环境。以这种方式，每个晶种都能够生长为基本上相似的尺寸和品质。该技术使得尺寸和品质得以客制化，则对于特定应用或客户，可做到整体一致化的产出。由于这种生长条件一致性的提高，因此可实现大量的益处。例如，可控制晶体形态以制备具有预选形态，例如八面体、立方-八面体等的超级磨粒。下述讨论将为采用本发明方法得到特定的结果提供指导，而不受任何提出的特定理论所限制。

钻石生长可通过提供溶解的碳原子或藉由将加入现有的钻石晶面的石墨层折叠而完成。图9A显示了生长过程中钻石的八面体(111)面。如图9B所示，在该层中包含的碳原子含有一自由或悬挂电子。钻石的八面体面主要藉由石墨层的折叠而形成，如图9C所示。如果存在纳米尺寸的石墨薄片(类石墨碳或GLC)，则这些薄片可容易地重新排列形成如图10A所示的斜方六面体石墨。该斜方六面体石墨可容易地折叠形成如图10B所示的类钻碳(DLC)。然后，该类钻碳被加入如图10C所阐明的钻石的八面体(111)面。关于这种形成斜方六面体石墨的方法的更多详情可在申请者正在审理中的申请案中找到，其是2004年7月24日申请的美国专利申请案第10/900,037号，且以引用方式并入本文中。

类似地，图11A中显示了钻石的立方体(100)面。令人感兴趣的注意到这些原子尺度的原子排列影响着其宏观尺度的晶体结构，也即钻石颗粒的立方-八面体面。在钻石的立方体面上的碳原子包含如图11B所示的具有两个悬挂电子的原子。从而，可很容易地将碳原子结合到立方体面上，从而在垂直于该面方向上生长钻石，如图11C所示。

现在谈及图12A，将更为详细地讨论钻石的生长历程。图12A阐明了由催化剂材料32所包围的正在生长的钻石颗粒30。该钻石颗粒的一部分立方体(100)面36以及部分八面体(111)38面也显示出。围绕该钻石颗粒的催化剂材料包层32也与穿过该催化剂包层扩散的原料34接触。图12B显示了在适宜在该面上生长的生长条件下的一部分立方体面36。特别地，在相对高的温度下，石墨可溶解形成原子碳溶质。这些碳原子将沈积为钻石立方体面上的钻石。垂直于该面的立方体面的生长将导致立方体面变得更小，以致于生长的钻石变成越来越多的八面体。

相反地，如图12C所示，如果温度相对较低，石墨将在熔融的催化剂中分解形成类石墨碳(GLC)，并在催化作用下折叠形成类钻碳(DLC)。该类钻碳将添加到钻石的八面体(111)面。结果，垂直于该(111)面的生长将使该面收缩并得到越来越多的立方体钻石晶体。例如，图13A阐明了钻石在低温下的生长，以使得DLC优先沈积在八面体(111)面上，因此该晶体成为更多的立方体。相反地，较高的温度将有利于碳原子沈积在立方体面上，因此该钻石晶体将成为更多的八面体，如图13B所示。钻石的形态由垂直于(100)和(111)面的相对生长速度决定。在图14中，钻石生长的最快方向(该晶体的最大尺寸)由 $\mathrm{\α}=\sqrt{3V\left(111\right)/V\left(100\right)}$ 测量，其中V是垂直于所述确定面方向的生长速度。图15显示了常规的具有自形晶体形态的优质锯切砂粒的显微照片。这些优质锯切砂粒一般为如该图中所见的正六面-八面体。相对于其他钻石面，该八面体(111)面具有最高的碳原子堆积密度。结果，八面体面与另一面的分离更远，以致于沿该解理面趋于发生钻石颗粒的破坏。当碳原子添加到(111)面时，它们趋于沿该面扩展，而不是垂直于该面扩展。另一方面，如果DLC优先沈积，则八面体面将垂直于(111)面生长。此外，八面体钻石比其他形状的钻石具有更多的锐角。从而，八面体钻石非常适合于制造单点切割机以及拉丝图样。

温度对钻石形态的影响允许基于钻石自身而调整温度，从而谨慎地控制所得形态。因此，如果钻石有太多立方体，则可通过增加电加热功率升高温度以获得更多八面体。反之，较低的电功率可获得更多的立方体钻石。本发明方法和生长前体允许对晶体形态的这些敏感的温度作用增强控制和操纵。例如，为了获得主要为八面体的钻石，所用温度为约1305℃至约1320℃。类似地，温度为约1250℃至1310℃有益于获得立方体或立方-八面体钻石。然而，这些温度范围仅仅是一般的原则，其确切值可根据所使用的特定催化剂材料和原料而变化。根据本发明，在晶体生长期间将整个生长前体的温度控制在约10℃范围内，特别地是在约5℃范围内，且某些情况下在约2℃范围内。

从而，根据本发明，可大量地制备杂质极少的合成八面体钻石。进一步地，本发明的合成八面体钻石可形成相对大的尺寸。例如，尺寸大于约1微米且经常大于约10微米可容易地实现。通常，有用的合成八面体钻石的尺寸为约1微米至约10毫米，优选尺寸为约20微米至约5毫米。

现在谈及图16，当采用本发明方法时，曲线图显示了各个需要考虑的原则和方面。在钻石生长期间，如果该钻石种与原料接触，则不会形成钻石，会将石墨或金属捕获为杂质，而形成杂质含量高的钻石。因此，将钻石包封在熔融的催化剂层中使钻石无干扰地生长是重要的。例如，钻石表面积与钻石尺寸的平方成正比。此外，催化剂的供应与正在生长的钻石的尺寸成正比。同样地，该催化剂涂层的厚度随着该钻石变得更大而逐渐减小。从而，本发明基本上均匀的混合物可提供额外的相对均匀的催化剂材料供给，在正在生长的钻石周围保持足够厚的催化剂涂层。从而，原料和催化剂材料都趋于向正在生长的钻石方向扩散。在每个正在生长的晶体周围保持基本上连续的催化剂包层有助于显著减少所生长的钻石中的杂质含量。

图17阐明了在周围的催化剂材料26存在下，钻石晶种20生长，形成所生长的钻石28。钻石晶种与该碳源材料的直接接触可导致不期望的杂质含量。一般地，生长条件可在某种程度上稍作改变；然而，其温度在约1200℃至约1400℃范围内，且压力在约4Gpa至7GPa范围内。其适合的温度取决于所选择的催化剂材料。作为一般的原则，其温度可超出该催化剂熔点约10℃至约200℃。生长时间一般地为约5分钟至约2小时。本发明中，晶种的图样内放置也允许在制程条件方面进行相对大的变化。例如，温度和压力可从约1％偏移至约10％，在一些情况下为约3％至约5％。这使得制程条件的控制不需常规的方法那么严格，而也可保持所生长的超级磨粒的品质。一般地，根据本发明的晶体生长基本上为外延生长，从而可制备具有高冲击强度高品质的超级磨粒。进一步地，本发明方法是全自动化的，可减少对人工判断和加工的需要。

除上述考虑因素之外，可通过从所述反应单元去除污染物(例如该金属上的氧，石墨中的湿气)而进一步减少杂质程度。去除此类污染物的一个有效途径是使该生长前体、催化剂材料、和/或原料在高真空(例如10^-1帕(Pa))高温(例如1100℃)下持续很长的时间(例如2小时)。在此加热处理期间，可用氢气净化所述材料以进一步去除氧。也可用氮气净化从而使该钻石的黄色更浓。一旦这些污染物基本上被去除，则所生长的钻石仅含有极少量的杂质，是高度透明的。钻石也可在钻石晶体内部捕获的任一金属催化剂的作用下而逆转变为无定形碳(一个转变为石墨的中间步骤)。一般地，这种逆转变在高于700℃的温度下开始。该催化剂杂质的周围一形成无定形碳，则其引起的体积膨胀就使得钻石产生微裂痕。结果，降低了该钻石的冲击强度。因而，在热压和冲击切割的高温下，杂质含量较低的钻石继续存在的情况会更好。根据本发明所生长的钻石具有高冲击强度和高热稳定性，以致于可将它们在高温(例如1000℃)下进行加工制得钻石工具，并用于高强度的切割应用。作为一般的原则，如果熔融的金属从生长制程的初始阶段就包围所述晶种，则约20微米的钻石种将趋向于溶解，以致于丧失控制成核的能力。另一方面，如果未经涂覆的晶种大于约50微米，那么金属催化剂涂层是优选的。否则，在熔融的催化剂流动包围该晶种前石墨就可与该钻石接触。不含熔融催化剂涂层时，石墨以及一些金属可被捕获成为杂质。

在本发明的一个具体方面，该晶种为所期望生长的钻石尺寸的约10％至约30％。根据该晶种的生长条件和晶粒尺寸，所生长的超级磨粒的尺寸由约100微米至约2毫米。最常用的超级磨粒尺寸的范围是约18筛目至约60筛目。如果采用较大晶种，甚至可生长出更大的超级磨粒。一般地，所生长的超级磨粒可用于许多研磨和切削领域，其颗粒尺寸为约210微米至约1毫米。本发明的一个优点是所生长的超级磨粒尺寸的均匀性。所述预设图样和所述层的取向使得钻石和cBN可以基本上均匀的成核并生长。因此，当与随机成核且含有晶种的前驱体所生长的颗粒相比时，本发明所生长的超级磨粒具有窄的颗粒分布和改善的品质。一般地，本发明所生长的超级磨粒也含有杂质，但该杂质在没有辅助的目视观察下一般是不为人注意的。一般地，当采用本发明时，预期碳转化为钻石的产率为约30％至约90％。进一步地，高品质钻石的百分比为50％至约90％，一般的产率为超过70％。在本发明的一些实施方式中，高品质钻石的产率为约2克拉/立方厘米至约5克拉/立方厘米，以及优选为约3.5克拉/立方厘米至约4.5克拉/立方厘米。图18显示了根据本发明所生长的一组钻石颗粒。在图18中，该钻石颗粒的尺寸基本上均匀的，并表现出自形的晶体形状。在此实例中，该钻石的间距预定为0.9毫米。

实施例

下述实例阐明了本发明代表性的实施方式。然而，应了解下述内容仅为本发明的原则的代表性或说明性的应用。在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可设计许多修正、替代的组合物、方法和体系。所附的权利说明书将要覆盖此等修正和布置。因此，尽管上文已经用特定内容描述了本发明，但下述实例将结合目前被认作本发明实际的实施方式来提供更多详情。

实施例1

在一直径为28毫米的圆形模具中填充粉末状天然石墨，其中该天然石墨的平均尺寸为约20微米，具有约为5μΩ-cm的低电阻系数，且石墨化度为0.8。将该石墨纯化至基本上不含油、有机粘结剂、灰分或其他非碳材料。在150MPa下将该石墨冷压形成厚度为0.7毫米、密度为2克/立方厘米(12％孔隙率)的颗粒致密圆片。将高纯度的因瓦(筛孔尺寸小于40微米的Fe-35Ni)合金放置在该石墨层顶部，并在300MPa下将其冷压形成厚度为0.2毫米、密度为6克/立方厘米(20％孔隙率)的颗粒催化剂层。将一薄层的粘结剂喷射在该颗粒催化剂层上。将一个类似于图2B中所示的，孔间距(中心至中心)为0.8毫米，其孔直径为130微米的模板放置在该催化剂层上。该模板被筛孔尺寸为120/140筛目(直径约为115微米)的未经涂覆的钻石晶种覆盖，从而将所述孔填满。然后将过量的钻石晶种收集以备重新利用。将该模板去除，并使用一金属板将所述钻石晶种压入该催化剂层，使每个钻石晶种均有约三分之二被催化剂材料包围。随后，将额外的因瓦合金在所述钻石晶种上铺层。在150MPa下冷压所述额外的催化剂材料，使整个催化剂层的厚度为0.3毫米。形成额外的七层石墨和催化剂材料以制造该钻石生长前体。每层均在真空下、约800℃至约1100℃下脱蜡两小时以去除粘结剂以及其他有机物质。然后在所述钻石生长前体的外表面涂覆一层200微米厚的铁。接着将该钻石生长前体放置在一带式装置中。然后使该前体经受约5.2GPa的压力，并将其加热至约1260℃温度下保持约1小时。之后冷却该层状生长的钻石元件，并将其从带式装置中去除。该元件被部分地压碎，使所生长的钻石显露出，所生长的钻石尺寸基本均匀，色泽为黄色。所生长的钻石的平均筛孔尺寸为30/40筛目。进一步地，所生长的钻石显现出超高的硬度、由于充分生长的晶面而具有优良的透明度，以及极少可见杂质。

实施例2

在一直径为28毫米的圆形模具中填充粉末状天然石墨，其中该天然石墨的平均尺寸为约20微米，具有约为5μΩ-cm的低电阻系数，且石墨化度为0.8。将该石墨纯化至基本上不含油、有机粘结剂、灰分或其他非碳材料。将该石墨与高纯度的因瓦(筛孔尺寸小于40微米的Fe-35Ni)合金混合。石墨与金属催化剂的重量比为1∶1.5。然后将该混合物在250MPa下冷压形成厚度为0.7毫米、密度为2克/立方厘米(12％孔隙率)的颗粒致密圆片。将一薄层粘结剂涂覆在该颗粒致密圆片上。将一个类似于图2B中所示的，孔间距(中心至中心)为0.8毫米，其孔直径为130微米模板放置在该致密圆片上。该模板被筛孔尺寸为120/140筛目(直径约为115微米)的未经涂覆的钻石晶种覆盖，从而将所述孔填满。然后将过量的钻石晶种收集以备重新使用。去除该模板，并使用一金属板将所述钻石晶种压入该致密圆片，使每个钻石种均有约三分之二被材料包围。随后，将额外的石墨和因瓦合金层铺于所述钻石晶种上。在250MPa下冷压所述额外的粉末材料，使整个催化剂层的厚度为0.9毫米。形成额外的七层石墨和催化剂材料以制造该钻石生长前体，其中每层均有钻石晶种图样。然后在所述钻石生长前体的外表面涂覆一层200微米厚的铁。接着将该钻石生长前体放置在一带式装置中。然后使该前体经受约5.2GPa的压力，并将其加热至约1260℃温度下保持约50分钟。随后冷却该层状生长钻石元件，并将其从带式装置中移除。该元件被部分地压碎以使基本均匀的生长的钻石显露出。所生长的钻石的平均筛孔尺寸为30/40筛目。进一步地，所生长的钻石显现出超高的硬度、由于充分生长的晶面而具有优良的透明度，以及极少可见杂质。

实施例3

在约400MPa下通过将颗粒尺寸为约20微米的天然石墨粉末挤压为直径37毫米、厚度0.8毫米的圆片制备石墨圆片。所得石墨圆片的孔隙率为约15％。将涂覆后直径为约105-125微米的涂镍的钻石晶种(未涂覆前的直径约为65微米至75微米)植入具有一高度为约0.8毫米的网格图样的石墨圆片中从而形成含晶种的石墨圆片。将所述含晶种的石墨圆片与因瓦(Fe65-Ni35)圆片相互交替地装填入一不锈钢容器中制得直径38.8毫米、高度30毫米的最终生长单元。采用尺寸为600毫米的冲压机以2500吨的压力挤压数以百计的这些生长单元从而获得约5.2GPa的压力和约1250℃的温度。保持该温度和压力50分钟，然后减小压力，逐渐降低温度。所述受挤压的生长单元破裂开，露出筛孔为30/40筛目、品质优异且基本上无可见缺陷的钻石。大部分生长的钻石是由最初的晶种生长来的，并且对应于该原始晶种的位置出现在各个网格图样中。最终获得的钻石产率为4克拉/立方厘米。此产率比一般的商业钻石合成制程所提供的小于3克拉/立方厘米的产率高很多。

实施例4

除了每层由原料和催化剂材料组成的混合物制得之外，与实例3相同。所述圆片通过将因瓦粉末(颗粒尺寸约40微米)与石墨粉末按照1.5∶1的比率混和，然后如前的方法挤压制得厚度为1毫米的圆片。随后采用如前的相同图样的模板将涂覆镍的钻石晶种直接植入经挤压的圆片中，从而形成含晶种的圆片。将所述含晶种的圆片堆叠并加压加热以生长钻石。结果基本上与实例3相同。

实例5

除了所述晶种未经涂覆，也即无镍涂层之外，与实例4相同。所生长的钻石品质较低，在对应于所述晶种的原始位置含有黑点。所述晶种基本上逆转变为碳。该实例强调在生长开始之前由熔融的催化剂包围钻石晶种的可取之处。在此种情况下，石墨将分散穿过该熔融催化剂包层，并沈淀出钻石。若在混合物中使用未经涂覆的晶种时该钻石未被该熔融催化剂充分包围，则石墨与钻石的直接接触将导致大量可见的石墨杂质。

实施例6

除了在该混合物中所使用的粉末为颗粒尺寸约6微米的铁和颗粒尺寸约2微米的钴，且铁、钴粉末的重量比为2∶1之外，与实例3相同。涂覆镍和未经涂覆的钻石晶种都被使用。与其他实例中一样，当采用未经涂覆的钻石晶种时，所生长钻石的品质较低。

实施例7

将一种由天然石墨(20微米)和因瓦粉末(40微米)按照重量比为1∶1.5组成的基本上均匀的混合物在350MPa下挤压，从而形成直径37毫米、厚度1毫米的圆片。在这些圆片的表面喷射一层薄的丙烯酸粘结剂。将具有直径130微米的孔、孔间距800微米的模板直接放置在该粘结剂的顶部。将涂覆镍后的尺寸为约120微米的钻石(60微米)从模板的上表面清除。进入每个孔的钻石粘着于该圆片上的粘结剂上。将过量的钻石和模板去除之后，将该植入钻石的圆片堆叠至约30层，然后放入一端开口的不锈钢容器中。之后将所述开口容器加热到600℃，持续2小时，以去除其粘结剂。接着，采用另一不锈钢容器覆盖该开口端，以30吨的力挤压这两个容器使其紧密固定。然后使该容器经受5.2GPa的超高压力，并在1300℃保持50分钟。结果显示钻石晶体的网格分布为30/40筛目，且自发成核的数量可忽略。所述洁净的钻石显示为黄色，并具有高抗冲强度。

实施例8

除了首先采用该模板将所述钻石晶种粘着于柔性带上之外，与实例7相同。然后将该图样化的钻石晶种传送至涂覆粘结剂的圆片上。在该圆片上的粘结剂较所述带上的粘结剂的粘性强，从而可以容易地转移钻石颗粒。结果基本上与实例7相同。

实施例9

除了所述钻石晶种粘着于薄的镍层(直径37毫米、厚度0.08毫米)上之外，与实施例1相同。在该图样化布置晶种期间，该金属层比经挤压的圆片更易于操纵。然后将该金属层夹于石墨圆片和因瓦混合物制成的挤压圆片之间。经过类似于实例7的高压合成之后，可形成黄色的钻石晶体。

实施例10

采用一模板，利用未经涂覆的钻石晶种(30微米)粘着在一镍圆片上。所得的生长钻石比实例7具有稍微多的杂质，但仍为黄色，并具有高抗冲强度。

实施例11

上述实例可被与因瓦圆片堆叠的纯石墨圆片代替。在这种情况下，钻石晶种粘着于该因瓦圆片上。

实施例12

图19A为采用传统的钻石生长技术形成的后生长块体的显微照片，其包括形成一种原料和催化剂材料的混合物。该样品的生长条件为压力5.2GPa，温度1300℃，持续35分钟。图19B是从图19A的块体中回收的未经分类且未分大小的钻石显微照片。所回收的钻石为尺寸分布宽、品质低的立方-八面体。该单元钻石的总产率为约2克拉/立方厘米。

根据本发明，平均尺寸为65微米的钻石晶种被涂覆镍之后，其最终直径为约125微米(例如，见图8A和8B)。采用如上所述的模板以及类似于如图17所示的多层构造，将经涂覆的钻石晶种布置在石墨和因瓦(65Fe-35Ni)比例为1∶1.5的粉末混合物中。按照这种方式制备两个分离的多层前体。

图20A是在5.2GPa下、加热至1300℃后持续35分钟时通过挤压所述多层前体之一而形成的后生长块体的显微照片。图20B为从图20A的块体回收的未经分类且未分大小的钻石显微照片。所回收的钻石为尺寸和品质分布非常均匀的立方-八面体，其特征为：几乎无杂质，并为黄色。该单元钻石的总产率为约5克拉/立方厘米。

图21A是在5.2GPa下、加热至1320℃后持续35分钟时通过挤压所述多层前体之一而形成的后生长体的显微照片。图21B为从图21A的块体回收的未经分类和未分大小的钻石的显微照片。所回收的钻石为尺寸和品质分布非常均匀的八面体，其特征为：几乎无杂质，并为黄色。该单元钻石的总产率为约5克拉/立方厘米。

图19B、20B和21B中的每一图均按照相同的放大尺规阐明。因此，可看出采用本发明制备的钻石的平均尺寸大于采用传统布置晶种制程制备的那些，而且其在晶体形态和品质方面也更为均匀。

从而，揭示了一种用于制备和生长具有改善的品质和尺寸分布的超级磨粒的改良方法和材料。以上描述和实例仅用于阐明本发明某些可能的实施例。本领域技术人员应容易地了解，本发明可接受广泛的用途和应用。除本文中描述的之外，在不背离本发明的本质或范围的情况下，本发明的许多实施方式和改动，以及许多变化、修正和等同的布置将是显而易见的，或者由本发明及其上述描述合理地建议。因此，尽管本发明在本文中详细描述了与其相关的优选的实施方式的内容，但是应了解所揭示内容仅为本发明说明性和代表性的内容，仅仅为了提供一个本发明的完整且充分公开的内容。上述公开内容将不会或不应理解为限制本发明或者不同地排除任何此类其他的实施方式、改动、变化、修正以及等同的布置，本发明仅受此处所附的权利要求书及其等同方式的限制。

Claims (45)

1、一种合成超级磨粒的方法，其包括下述步骤：

a)形成一种生长前体，该生长前体包括一种由原料和催化剂材料组成的均匀的混合物，并且在该生长前体中至少部分地具有在预设图样中布置的晶种；以及

b)加热该生长前体到足够的温度和压力使其生长具有预设外形的超级磨粒。

2、一种合成超级磨粒的方法，其包括下述步骤：

a)形成一种生长前体，其包括一含有原料的原料层和与该原料相邻的颗粒催化剂层，所述颗粒催化剂层包括一催化剂材料，且所述生长前体具有至少部分地分布于该原料层和该颗粒催化剂层之一中在预设图样中布置的晶种；以及

b)加热该生长前体到足够的温度和压力使其生长具有预设外形的超级磨粒。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中该超级磨粒为钻石，且该原料为一碳源。

4、如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂材料是选自由铁(Fe)，镍(Ni)，钴(Co)，锰(Mn)，铬(Cr)及其合金构成的组的成分。

5、如权利要求4所述的方法，其中所述催化剂材料为一Fe-Ni合金。

6、如权利要求3所述的方法，其中所述碳源为石墨。

7、如权利要求6所述的方法，其中所述石墨的石墨化度大于0.50。

8、如权利要求1或2所述的方法，其中所述生长前体由原料、催化剂材料和晶种组成。

9、如权利要求1或2所述的方法，其中所述晶种被涂覆一催化剂涂层。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述催化剂涂层为一种选自由铁、镍、钴及其合金构成的组的金属催化剂。

11、如权利要求10所述的方法，其中该催化剂涂层包括镍。

12、如权利要求1所述的方法，其中形成该生长前体的步骤包括用均匀的混合物将各个晶种包围。

13、如权利要求1或2所述的方法，尚包括下述步骤：重复形成该生长前体的步骤至少额外一次，以形成一种多层生长前体。

14、如权利要求13所述的方法，其中该多层生长前体包括3至10层晶体生长层。

15、如权利要求1或2所述的方法，其中所述晶种为多晶晶种。

16、如权利要求15所述的方法，其中该多晶晶种包括钻石颗粒和金属催化剂。

17、如权利要求16所述的方法，其中该多晶晶种由下述步骤形成：

a)提供一种由钻石颗粒、金属催化剂粉末、有机粘结剂以及任选的溶剂组成的浆体；

b)使该浆体形成多个多晶晶种前体；以及

c)去除该有机粘结剂和任选的溶剂，从而形成多晶晶种。

18、如权利要求1所述的方法，其中所述晶种的平均直径为所述超级磨粒平均直径的约0.05倍至约0.2倍。

19、如权利要求1或2所述的方法，其中所述预选形态为八面体。

20、如权利要求1所述的方法，其中该预设图样将晶种放置在相隔约400微米至约900微米的距离。

21、如权利要求1所述的方法，其中所述超级磨粒的颗粒尺寸为约100微米至约5毫米。

22、如权利要求1所述的方法，其中形成该生长前体的步骤包括：将所述晶种以一预设图样放置在金属催化剂层上，并将所述晶种包埋进原料和催化剂材料的混合物中。

23、如权利要求1所述的方法，其中形成该生长前体的步骤尚包括：

a)在该混合物表面或金属催化剂层上放置一具有孔状图样的模板，每个所述的孔均被构造成型以接受一单晶晶种；

b)在所述模板的孔中填充所述晶种；以及

c)去除该模板。

24、一种在超级磨粒生长期间控制温度条件的方法，其包括下述步骤：

a)形成一层颗粒晶体生长层，包括一由原料和催化剂材料组成的均匀混合物；

b)至少部分地在该颗粒晶体生长层的预设图样中放置晶种，从而形成一生长前体；以及

c)加热该生长前体。

25、如权利要求24所述的方法，其中在预设图样中放置所述晶种的步骤尚包括：

a)在该混合物表面或一金属催化剂层上放置一具有孔状图样的模板，每个所述的孔均被构造成型以接受一个单晶晶种；

b)在所述模板的孔中填充所述晶种；以及

c)去除该模板。

26、如权利要求25所述的方法，其中在预设图样中放置所述晶种的步骤尚包括：至少部分地将所述晶种包埋入该颗粒晶体生长层中。

27、如权利要求24所述的方法，其中该超级磨粒为钻石，且原料为一碳源。

28、如权利要求24所述的方法，其中所述催化剂材料选自由Fe，Ni，Co，Mn，Cr及其合金构成的组的成分。

29、如权利要求24所述的方法，其中所述生长前体由原料、催化剂材料和晶种组成。

30、如权利要求24所述的方法，其中所述晶种被涂覆了一催化剂涂层。

31、如权利要求24所述的方法，其中该生长前体为一种多层生长前体，其包括具有在预设图样中布置的晶种的多层晶体生长层。

32、如权利要求24所述的方法，其中该晶种为多晶晶种。

33、如权利要求24所述的方法，尚包括步骤以监控该生长前体的温度并保持该温度，以生长出具有预选形态的超级磨粒。

34、如权利要求24所述的方法，其中该预选形态为八面体。

35、一种所生长钻石颗粒的块体，其包括在基质材料中所布置的多个八面体钻石颗粒。

36、如权利要求35所述的块体，其中所述的多个八面体钻石颗粒具有窄的尺寸分布，其特征在于：平均尺寸的标准差小于约0.2。

37、如权利要求35所述的块体，其中所述的多个八面体钻石颗粒的平均尺寸为约10微米至约10毫米。

38、如权利要求37所述的块体，其中所述的多个八面体钻石颗粒的平均尺寸为约20微米至约5毫米。

39、如权利要求35所述的块体，其中所述的多个八面体钻石颗粒含有少于1％重量的杂质。

40、一种合成的八面体钻石，其尺寸为约1微米至约10毫米。

41、一种合成超级磨粒的方法，其包括下述步骤：

a)形成一包括原料层和一颗粒催化剂层的生长前体；

b)在该催化剂层和该原料层的至少一层的预设图样中至少部分地放置多晶晶种，从而形成一生长前体；所述多晶晶种包括钻石颗粒和金属催化剂；以及

c)充分加热该生长前体，以生长出具有预选形态的超级磨粒。

42、如权利要求41所述的方法，其中所述多晶晶种可由下述步骤形成：

a)提供一种由钻石颗粒、金属催化剂粉末、有机粘结剂以及任选的溶剂组成的浆体；

b)使该浆体在该催化剂层和该原料层的至少一层上形成多个多晶晶种前体；以及

c)去除该有机粘结剂和任选的溶剂，从而形成多晶晶种。

43、如权利要求41所述的方法，其中使该浆体形成多个多晶晶种的步骤包括对该浆体采用丝网印刷从而制得该预设图样。

44、一种通过一方法形成的超级磨粒，该方法包括下述步骤：

a)形成一生长前体，其包括一由原料和催化剂材料组成的基本上均匀的混合物，且在该生长前体中至少部分地具有在预设图样中的多晶晶种，所述多晶晶种包括钻石颗粒和金属催化剂；以及

b)加热该生长前体到足够的温度和压力使其生长具有预设外形的超级磨粒。

45、如权利要求44所述的超级磨粒，其中所述多晶晶种由下述步骤形成：

a)提供一种由钻石颗粒、金属催化剂粉末、有机粘结剂以及任选的溶剂组成的浆体；

b)使该浆体形成多个多晶晶种前体；以及

c)去除该有机粘结剂和任选的溶剂，从而形成多晶晶种。

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