CN102963882B - 一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺，1）先将炭黑与中温沥青在180℃‐185℃下混合；2）混合料挤压成型；3）焙烧，最高温度为1100℃‐1350℃；4）出炉后，依次经过破碎、磨粉为粒度D50=28微米到32微米之间的粉料，制备得到炭黑阶段料粉；5）混合天然鳞片石墨粉和炭黑阶段料粉，炭黑阶段料粉为天然鳞片石墨粉质量的0.5～2.5%；6）将上一步混合粉纯化处理即得到合成金刚石用碳源粉。本工艺得到的石墨粉专门用于高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石，能起到抑制晶核数量、提高生长速度、改善金刚石晶型、颜色的作用，可大大改善金刚石的品级与粒度。

Description

一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺

技术领域

本发明属于碳素材料的生产技术领域，特别涉及一种高温静压触媒法合成优质粗颗粒金刚石用碳源粉的制备工艺。

背景技术

金刚石作为自然界最硬的物质，具有广泛的工业用途。自然界中存在的金刚石难以满足人类的需求，低成本、粗颗粒、高品级人造金刚石的合成永远是人类追求的梦想。人工合成金刚石最早采用的是爆炸法，后又发展到静压法，即利用专用金刚石压机产生高压，同时加温，在金屑触媒作用下，使石墨转化为金刚石。

金刚石合成工艺在金刚石合成技术中有着举足轻重的作用，直接关乎产品的质量和品级。中国发明专利CN 104746lA公开了一种静态超高压法合成粗粒度人造金刚石的工艺，在较高的压力下开始一次性连续升温升压的过程中两次停压，其工艺效果较好地控制了粗颗粒人造金刚石的晶体质量和强度，一定程度上提高了粗颗粒高强度人造金刚石的提取率，增加了人造金刚石的生产效益。

李彦涛，王改民，贾晓鹏，马红安等对粉末触媒合成高品级金刚石的工艺作了研究，提出了金刚石合成的二阶段升温升压工艺，讨论了各工艺参数( 暂停时间、台阶功率、台阶压力) 对粉末触媒高温高压合成优质金刚石单晶的影响，并对实验现象进行了分析，确立了高品级金刚石的合成工艺。实验结果表明：暂停时间长短影响成核的数量，暂停时间长金刚石产量低，暂停时间短金刚石产量高，但晶形较差；随着台阶功率的增加，金刚石的成核量和产量呈减少趋势；台阶压力的高低影响成核的多寡，台阶压力低，成核少，合成温度偏低，台阶压力高，成核多，金刚石晶形差。

除了上述报道，还有很多从设备、催化剂和制备工艺上研究制备低成本、粗颗粒、高品级人造金刚石的途径，取得了大量的成果。但现在作为碳源粉的显晶石墨粉、作为金刚石的合成原料，其性能状态会直接影响到人造金刚石的品级与粒度是不容置疑的。但人们却主要把精力放在高度提纯上，而少有人研究配方上。

目前的石墨粉是显晶石墨矿经过开采、选矿、提纯、机械加工、分级分选、再经过高温提纯而制得的。

人们在生产片状碳源时，当选用不同地方的石油焦适当加入显晶石墨粉做成的碳源对合成金刚石的品级有很大的不同，差异相当明显，证明石墨本身对金刚石合成有很明显的影响。我国采用粉末柱法合成金刚石的时间还不长，主要采用纯显晶石墨粉和金属粉混合制成合成柱，合成的金刚石的品级也不高。

在纯显晶石墨粉中加入其他的人造石墨粉做实验，发现当其他人造石墨粉达到10%以上时就难以成型，无法成型也就是不能做成合成柱，自然就不能使用。也就是说其他人造石墨粉只能在碳源粉中在10%以内来加入，而其他人造石墨粉在碳源粉中的含量在10%以下时，改善金刚石合成效果的作用基本不明显。这就导致了人们放弃在改变碳源粉的配方上来研究改进合成金刚石效果的努力。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种碳源粉的制备工艺，本工艺得到的碳源粉专门用于高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石，可大大改善金刚石的品级与粒度。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺，其特征在于：它包括以下步骤：

1）先将炭黑加入到双Z型加热混捏机中，加热到160℃‐165℃后，再加入熔化了的中温沥青，沥青加入量为炭黑总量的58%‐60%，继续加热到180℃‐185℃，混合1小时；

2）混合料出锅后立即在热挤压机中挤压成块状或圆柱状；

3）在焙烧炉中对上一步得到的挤压成型料进行焙烧，焙烧的最高温度为1100℃‐1350℃，火焰温度达到最高温度后要保持50小时以上；

4）焙烧料出炉后，依次经过破碎、磨粉，达到粒度D50=28微米到32微米之间的粉料，制备得到炭黑阶段料粉；

5）在双锥型混合机中混合天然鳞片石墨粉和炭黑阶段料粉，炭黑阶段料粉的质量为天然鳞片石墨粉质量的0.5～2.5%，混合时间为2-2.5小时；

6）将上一步混合粉在石墨化炉中进行纯化处理，即得到合成金刚石用碳源粉。

本工艺得到的碳源粉专门用于高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石，能起到抑制晶核数量、提高生长速度、改善金刚石晶型、颜色的作用，可大大改善金刚石的品级与粒度。

具体实施方式

本发明发现炭黑的加入对人造金刚石合成的影响非常大，在纯显晶石墨粉中加入炭黑的量超过2.5%时就不能合成出金刚石，在0.5%‐2.5%的范围内对合成金刚石的品位及粒径有着明显的影响。本发明是在天然石墨粉中加入经与沥青混合、挤压成型、焙烧处理、再经破碎磨粉的炭黑阶段料，然后再将混合的材料经高温提纯石墨化制得的碳源粉。使该碳源粉在制备金刚石的过程中，可以通过控制金刚石的形核和生长速率来提高其品级，并通过高温纯化处理，使石墨粉的灰分达到30ppm以下，减少杂货对合成金刚石的品级的影响。

其具体制备工艺为：

1）先将炭黑加入到双Z型加热混捏机中，加热到160℃至165℃，再加入熔化了的中温沥青，沥青加入量为炭黑总量的58%‐60%，继续加热到180℃‐185℃，混合1小时；

2）混合料出锅立即在热挤压机中挤压成块状或圆柱状；

3）在焙烧炉中对上一步得到的挤压成型料进行焙烧，焙烧的最高温度为1100℃‐1350℃，火焰温度达到最高温度后要保持50小时以上；

4）焙烧料出炉后，经破碎后，在雷蒙磨中磨粉，粉料的粒度D50=28微米到32微米之间，制备得到炭黑阶段料粉；

5）在双锥型混合机中混合天然鳞片石墨粉和炭黑阶段料粉，炭黑阶段料粉的质量为天然鳞片石墨粉质量的0.5～2.5%，混合时间为2小时至2.5小时；

6）将上一步混合粉在（艾奇逊）石墨化炉中进行纯化处理，即得到本发明的目标产品--合成金刚石用碳源粉。

本发明加入微量炭黑即对金刚石合成效果影响非常明显，把炭黑制成阶段料再混入石墨粉中主要是为了混合均匀，提高碳源材料的稳定性。

本发明碳源粉制备工艺的原理和效果分析：

在静态超高压高温条件下，有触媒参与下，石墨合成金刚石的转变机制较为复杂。几种代表性的理论分别为：直接转化理论、溶剂生长理论和溶剂催化理论。相关研究以表明，采用高温静压触媒法合成品级粗颗粒金刚石时，会在金刚石的表面形成金刚石金属包覆膜。金刚石金属包覆膜在合成金刚石过程所起的作用一是溶碳，二是催化作用，促成石墨向金刚石结构的转变。炭黑的高电阻，以及炭黑石墨化的不完整性，都可能对金刚石金属包覆膜的溶碳产生一定的影响。炭黑相对鳞片石墨具有高电阻，电流通过本发明提供的石墨粉时，会产生不同的温度效应，局部的高温，可能会增大金属包覆膜的溶碳。另外炭黑石墨化的不完整性，使其碳原子的活性高于鳞片石墨，也可能会增大金属包覆膜的溶碳。炭黑通过影响金属包覆膜的溶碳，从而影响金刚石的形核和生长过程。其具体的机理虽不明了，但本发明通过实验发现：加入炭黑，可以明显的抑制金刚石的形核速率，加快金刚石的生长速率。众所周知，加快金刚石的生长速率，有利于合成粗金刚石、晶型更好，但速度太快，又会显著的降低金刚石的品级，如颗粒形状变差，硬度降低。本发明专利发现，控制炭黑含量在0.5～2.5%具有较好的效果。

炭黑在传统的金刚石合成研究中被认为是不好的，要尽量避免混入的。本发明研究发现炭黑在金刚石合成中微量的加入对合成影响都非常明显，对改善合成金刚石效果具有非常重要的意义。由于炭黑相比于石墨来说非常轻，难于混合均匀，本发明将炭黑加入沥青混合，再挤压成型，经过焙烧，再破碎磨粉，再混入加工好的石墨粉中，混合均匀，最后经过高温提纯石墨化即制得本发明的合成金刚石碳源粉。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1. 一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺，其特征在于：它包括以下步骤：

1）先将炭黑加入到双Z型加热混捏机中，加热到160℃‐165℃后，再加入熔化了的中温沥青，沥青加入量为炭黑总量的58%‐60%，继续加热到180℃‐185℃，混合1小时；

2）混合料出锅后立即在热挤压机中挤压成块状或圆柱状；

3）在焙烧炉中对上一步得到的挤压成型料进行焙烧，焙烧的最高温度为1100℃‐1350℃，火焰温度达到最高温度后要保持50小时以上；

4）焙烧料出炉后，依次经过破碎、磨粉，达到粒度D50=28微米到32微米之间的粉料，制备得到炭黑阶段料粉；

5）在双锥型混合机中混合天然鳞片石墨粉和炭黑阶段料粉，炭黑阶段料粉的质量为天然鳞片石墨粉质量的0.5～2.5%，混合时间为2-2.5小时；

6）将上一步混合粉在石墨化炉中进行纯化处理，即得到合成金刚石用碳源粉，所述石墨化炉为艾奇逊石墨化炉。

2. 一种高温静压触媒法合成高品级粗颗粒金刚石用碳源粉制备工艺，其特征在于：它包括以下步骤：

1）先将炭黑加入到双Z型加热混捏机中，加热到160℃时，再加入熔化了的中温沥青，沥青加入量为炭黑总量的58%，继续加热到180℃，混合1小时；

2）混合料出锅后立即进入热挤压机中挤压成块状或圆柱状；

3）在焙烧炉中对上一步得到的挤压成型料进行焙烧，焙烧的最高温度为1300℃，火焰温度达到最高温度后要保持50小时以上；

4）焙烧料出炉后，依次经破碎、磨粉，达到粒度D50=28微米到32微米之间的粉料，制备得到炭黑阶段料粉；

5）在双锥型混合机中混合天然鳞片石墨粉和炭黑阶段料粉，炭黑阶段料粉的质量为天然鳞片石墨粉质量的0.5～2.5%，混合时间为2小时；

6）将上一步混合粉在石墨化炉中进行纯化处理，即得到合成金刚石用碳源粉，所述石墨化炉为艾奇逊石墨化炉。