CN1047324C

CN1047324C - 爆炸合成金刚石的膨胀石墨法

Info

Publication number: CN1047324C
Application number: CN93115929A
Authority: CN
Inventors: 李晓杰; 董守华; 张凯
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 1993-11-27
Filing date: 1993-11-27
Publication date: 1999-12-15
Anticipated expiration: 2013-11-27
Also published as: CN1103328A

Abstract

金刚石的合成方法有很多种，通常采用结晶石墨为合成碳源。一种爆炸合成金刚石的膨胀石墨法，其特点是采用膨胀石墨作为冲击合成金刚石的碳源。膨胀石墨可被看成一种特殊的“多孔”石墨材料，因此可以通过控制膨胀石墨的初始密度来控制合成温度，与结晶石墨相比，可在较低压力下达到较高的合成温度，同时也满足直接相变条件，因此可提高金刚石的形核率。本发明提供了一种新的冲击合成方法，在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。

Description

爆炸合成金刚石的膨胀石墨法

本发明是关于冲击合成金刚石微粉方法的发明。

金刚石是目前世界上发现的硬度最高的物质，有着广泛的工业应用。冲击合成的人造金刚石为粒度小于100微米的多晶微粉，其主要用途是用来研磨宝石、玻璃、硬质合金等超硬材料，也可作为生产金刚石聚晶(PCD)的原料。美国杜邦公司、日本昭和电工、西德肯普顿电冶公司等都生产这种冲击合成微粉，并占居一定的市场。

金刚石的合成方法有很多种，但通常都采用结晶石墨为合成碳源。众所周知，石墨与金刚石都是碳的同素异构体，这两种晶体结构之间存在着一定的对应关系，如对石墨施加一定的高温、高压，并促使碳原子产生轻微的移动，即可使石墨直接转化为金刚石，因此大多数合成人造金刚石的技术中都采用结晶良好的石墨为碳源。在冲击合成过程中，碳源向金刚石相变是依靠冲击波后的高温高压完成的，由于冲击加载时间极短，一般高压持续对间不超过十几微秒，碳原子不可能产生强烈的扩散，这种冲击相变则被认为是无扩散的马氏体相变。这正是众多冲击合成中采用晶体结构与金刚石存在明显对应关系的石墨为碳源的原因。采用结晶石墨进行冲击合成时，必须在极高的冲击压力下才能获得较高的金刚石转化率，具有代表性的专利G.B.Pat.111564给出如下结果：

冲击压力(GPa)	金刚石转化率(％)
冲击压力(GPa)	金刚石转化率(％)	1409078	52-32125

本发明的目的就是提供一种新的冲击合成方法，在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。

本发明的技术解决方案是采用C轴层间距被拉大的膨胀石墨作为冲击合成金刚石的碳源。

采用膨胀石墨进行爆炸合成时，利用粉末压块中膨胀石墨的初始密度与冲击压力配合调节合成温度，压块中膨胀石墨密度为0.2～2g/cm3，占总体积的10％～80％，冲击压力范围为30～150GPa。

C轴层间距被拉大的膨胀石墨，阶数小于15阶，被拉大的层间距在5～1000之间。

膨胀石墨又称柔性石墨、石墨蠕虫，其特征是以结晶石墨为原料，首先制成石墨层间化合物(也就是采用插入物插入石墨层片间)，然后将石墨层间化物中的插入物除去，即可获得膨胀石墨。这种膨胀石墨的结构与石墨相近似，只是层片间距不再是3.35，而是被拉大了许多，最大处可达石墨的300倍。

采用膨胀石墨进行冲击合成的设计思想是，首先，从冲击动力学的观点来看，膨胀石墨可被着成一种特殊的“多孔”石墨材料，因此可以通过控制膨胀石墨的初始密度来控制合成温度，与结晶石墨相比，可在较低压力下达到较高的合成温度。从温度均匀的角度上来考虑，在冲击波后微秒量级内温度迅速接近平衡的条件是，膨胀石墨层每隔100左右打开一层；而目前人们所合成的石墨层间化合物都小于15阶，因此，可完金满足上述条件。其次，从晶体结构上来考虑，膨胀石墨虽然层间距被拉大，但并没有损伤原石墨层片中碳原子的六角形分布，而结构上仍与金刚石的碳原子分布存在一定的对应性，也就存在直接相变的条件。总的来说，采用膨胀右墨冲击合成人造金刚石，既满足直接相变条件，又可在较低压力下达到较高的合成温度，因此可提高金刚石的形核率。根据设计构思，冲击合成所使用的膨胀石墨可用各种现有工艺制造，采用的石墨层间化合物在15阶以下均可。

利用膨胀石墨冲击合成金刚石的具体工艺如下：

首先将膨胀石墨粉与金属粉均匀混合、并压制成块，通过控制压制体的密度来调节压块中膨胀石墨的初始密度(膨胀石墨很容易被压缩)，初始密度控制在0.2～2g/cm³。混合件中膨胀石墨占总体积的10％～80％。金属粉末作为传压介质，并对合成金刚石块体防止石墨化；从传压、传热的综合效果应选择声阻抗高、导热系数较大的铜、铁及其合金。将粉末压制体制备好后，即可放入冲击回收装置中进行冲击，冲击加载可使用炸药爆轰直接加压，也可使用高速飞片打击。飞片加压往往可获得比炸药爆轰高得多的压力，同时可方便地通过调节飞片厚度、打击速度来改变冲击压力及其持续时间，冲击压力应控制在30～150CPa，持续时间小于10μs。最后把经过冲击的混合体中的金属及末转化碳除去即可获得金刚石微粉。

附图为爆炸合成金刚石膨胀石墨法的工艺流程图。为进一步说明本发明，特举实施例如下：

实例1

采用粉碎到320目的高纯石墨，经用体积比1∶10的浓硝酸、浓硫酸混合液浸泡10小时制成石墨层间化合物-石墨酸、经水洗后，在高温下除去残酸，可得到膨胀石墨粉，将这种粉末与200目纯铜粉混合，压制成厚度为10mm的粉末块体φ30mm，压块密度为5.8g/cm³，其中膨胀石墨占总重的8％，密度约为1.15g/cm³。将制好的粉末压制体放入冲击回收装置中进行冲击加压。其中飞片厚2mm，主炸药为厚90mm的黑梯炸药，爆速约7000m/s，密度为1.61g/cm³，打击压力为95GPa。最后回收经过冲击的混合压制体，用浓度为20％的硝酸水液除去铜及残铁，然后用58％的高氯酸煮蚀24小时除去残碳，再用氢氟酸浸泡24小时，最终得到黑色纯净的金刚石粉。金刚石微粉为不规则多边形颗粒，粒径大部分在1微米左右，经X光衍射证实为平均晶粒度为20～40的立方金刚石多晶体。金刚石转化率为27:1％。

实例2

采用与实例1相同的高纯石墨，经浓硝酸浸泡48小时，水洗3～4遍，用1000℃蒸发残酸，制成膨胀石墨。将这种粉末在与实例1相同的条件下进行冲击合成，金刚石转化率为26.1％。

本发明与原有技术相比有良好的效果，利用膨胀石墨作为碳源，在冲击压力为95GPa时，金刚石转化率可达27.1％，在75GPa时金刚石转化率可达8.6％。

Claims

1．一种爆炸合成金刚石的膨胀石墨法，其特征是采用C轴层间距拉大的膨胀石墨为爆炸合成金刚石的炭源，利用粉末压块中膨胀石墨的初始密度与冲击压力配合调节合成温度，压块中膨胀石墨密度为0.2～2g/cm³，占总体积的10％～80％，冲击压力范围为30～150GPa。

2．根据权利要求1所述的一种爆炸合成金刚石的膨胀石墨法，其特征是C轴层间距被拉大的膨胀石墨，阶数小于15阶，被拉大的层间距在5～1000之间。