CN105296959B - 一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法。该方法是：首先利用氢等离子体将人体头发转变为含碳氢化合物、氮氢化合物、硫化物、水汽等成分的气体混合物，再利用气体纯化装置将气体混合物中的氮氢化物、硫化物、水汽等杂质气体去掉，得到纯度为99.999%的碳氢化合物气体；该碳氢化合物气体经纯度为99.999%的氢气稀释后作为微波等离子体化学气相沉积方法同质外延生长单晶金刚石的工作气体，从而在天然单晶金刚石衬底上得到由人体头发为碳源合成的金刚石。该方法采用微波等离子体化学气相合成金刚石，能够将人体头发中的碳转变为金刚石。

Description

一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法

技术领域

本发明涉及微波等离子体化学气相沉积及金刚石合成领域，特别是一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法。

背景技术

头发是由蛋白质组成,含有碳、氢、氧、氮及少量的硫,有的还含有微量磷、铁、锌、钼等元素，能够提供制备金刚石的碳源。目前利用人体头发作为碳源合成金刚石主要采用的是高温高压制备金刚石的方法，该方法是将头发在无氧条件下碳化后得到碳粉，再和金属触媒混合后放入压机在高温高压条件下合成金刚石。高温高压制备的金刚石晶体的纯度不高，并且它的大小很难做大。微波等离子体化学气相沉积技术合成金刚石通常采用甲烷、二氧化碳、一氧化碳等气体为碳源，氢气作为稀释气体，工作气压较低，温度较低，对设备的要求不高。等离子体化学气相沉积法制备的金刚石可以是多晶膜，也可利用单晶金刚石作为种晶同质外延生长单晶金刚石。微波等离子体化学气相沉积技术合成金刚石的碳源为气态源，而头发为固态碳源。

尚无利用人体头发作为碳源采用微波等离子体化学气相沉积技术合成金刚石，将人体头发中的碳转变为金刚石的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，该方法采用微波等离子体化学气相合成金刚石，能够将人体头发中的碳转变为金刚石。

本发明为解决其技术问题采用以下的技术方案：

一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，将人体头发粉碎后挤压成人体头发细棒，细棒的直径为0.5~1.5mm，长度无要求；

第二步，人体头发细棒置于电弧阳极中，电弧阳极为中空形状；氢气从氢气瓶通入放置于金属腔室（直流电弧放电室）内的电弧阴极中；利用电弧放电将通入氢气变成氢等离子体，使人体头发细棒（或称人体头发电极）气化转变为气体混合物（含碳氢化合物、氮氢化合物、硫化物、水汽等成分）,气化的工艺条件：氢气流量为450~600ml/min，气压7kPa-100kPa,电压范围为30~150V，放电电流为50~120A，电弧阳极与电弧阴极的距离为1~5mm，人体头发细棒（或称人体头发电极）被推进的速度为1~2mm/s；

第三步，利用气体纯化装置（或称气体纯化设备）将气体混合物中的氮氢化物、硫化物、水汽等杂质气体去掉，得到体积纯度为99.999%的碳氢化合物气体；

第四步，利用所述碳氢化合物气体和高纯氢气（体积纯度为99.999%）的混合气体为原料（碳氢化合物气体、高纯氢气的体积配比为1：10-200），采用微波等离子体化学气相沉积方法在天然金刚石衬底上同质外延生长金刚石，得到样品；

第五步，采用激光切除样品中的天然金刚石，得到由人体头发为碳源制备的金刚石。

本发明以人体头发为碳源利用微波等离子体化学气相沉积方法同质外延生长金刚石的方法，该方法是：首先利用氢等离子体将人体头发转变为含碳氢化合物、氮氢化合物、硫化物、水汽等成分的气体混合物（人体头发转变为气态混合物的气化方式是直流电弧放电产生氢等离子体），再利用气体纯化装置将气体混合物中的氮氢化物、硫化物、水汽等杂质气体去掉，得到纯度为99.999%的碳氢化合物气体。该碳氢化合物气体经纯度为99.999%的氢气稀释后作为微波等离子体化学气相沉积方法同质外延生长单晶金刚石的工作气体，从而在天然单晶金刚石衬底上得到由人体头发为碳源合成的金刚石。

将体积纯度为99.999%的碳氢化合物气体通过增压泵灌入钢瓶，将灌入钢瓶的体积纯度为99.999%的碳氢化合物气体经体积纯度为99.999%的氢气稀释后作为微波等离子体化学气相沉积方法同质外延生长单晶金刚石的工作气体。

本发明的有益效果是：该方法采用微波等离子体化学气相合成金刚石，能够将人体头发中的碳转变为金刚石。

附图说明

图1是本发明人体头发气化、纯化及收集装置的示意图。

图2是本发明实施例制备的金刚石的Raman光谱图。

图1中：1、氢气瓶；2、流量控制器；3、金属腔室；4、直流电源；5、人体头发细棒；6、高压阴极；7、电弧等离子体；8、高压阳极；9、气体纯化装置；10；气体增压泵；11、气体钢瓶。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1

一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法（是一种利用人体头发碳源，采用微波等离子体化学气相沉积同质外延生长金刚石的方法），包括如下步骤：

第一步，将人体头发粉碎后挤压成1mm的人体头发细棒5。

第二步，人体头发细棒置于电弧阳极8中，电弧阳极8为中空形状。图1中标号1为氢气瓶（高纯氢气钢瓶，装有体积纯度为99.999%的氢气），通过流量控制器2将氢气（体积纯度为99.999%的氢气）从氢气瓶通入放置于金属腔室（直流电弧放电室）3内的高压阴极（电弧阴极）6中，调整直流电弧放电室气压为80kPa，直流电弧放电电压为120v，放电电流为80A，氢气流量为500ml/min，电弧阳极与电弧阴极的距离为3mm，人体头发细棒（人体头发电极）被推进的速度为1.5mm/s。在放电的过程中保持电弧室动态稳定，高纯氢气的进气速率为500ml/min。通过直流电源（直流高压电源）4在两电弧电极之间产生直流电弧氢等离子体，利用氢等离子体将人体头发由固态转变为气态，使人体头发细棒（或称人体头发电极）气化转变为气体混合物（含碳氢化合物、氮氢化合物、硫化物、水汽等成分）。

第三步，气化得到的混合气体通入气体纯化装置9，去除氮氢化合物、水、硫化物等杂质气体，得到碳氢化合物含量达到99.999%（体积）的高纯气体，再将气体通过增压泵（气体增压泵）10灌入钢瓶（气体钢瓶）11。

第四步，所述含碳氢化合物的混合气体用体积纯度为99.999%的氢气稀释后通入到微波等离子体化学气相沉积装置中（碳氢化合物气体、高纯氢气的体积配比为1：20），在天然单晶金刚石衬底上同质外延生长金刚石。待生长的金刚石厚度达到要求后，取出金刚石，得到样品。

第五步，用激光切割的方法将天然单晶衬底切除（采用激光切除样品中的天然金刚石），得到以人体头发为碳源制备的金刚石。将制备得到的金刚石用Raman光谱仪检测评价其质量，如图2所示，说明本发明得到了金刚石。

上述将人体头发由固态转变为气态的氢等离子体为电弧等离子体。所用的微波等离子体化学气相沉积方法中的微波频率是2.45GHz 或0.915GHz。

实施例2

一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，包括如下步骤：

第一步，将人体头发粉碎后挤压成0.5mm的人体头发细棒5。

第二步，人体头发细棒置于电弧阳极8中，电弧阳极8为中空形状。图1中标号1为氢气瓶（高纯氢气钢瓶，装有体积纯度为99.999%的氢气），通过流量控制器2将氢气（体积纯度为99.999%的氢气）从氢气瓶通入放置于金属腔室（直流电弧放电室）3内的高压阴极（电弧阴极）6中，调整直流电弧放电室气压为8kPa，直流电弧放电电压为30V，放电电流为50A，氢气流量为450ml/min，电弧阳极与电弧阴极的距离为1mm，人体头发细棒（人体头发电极）被推进的速度为1mm/s。在放电的过程中保持电弧室动态稳定，高纯氢气的进气速率为500ml/min。通过直流电源（直流高压电源）4在两电弧电极之间产生直流电弧氢等离子体，利用氢等离子体将人体头发由固态转变为气态，使人体头发细棒（或称人体头发电极）气化转变为气体混合物（含碳氢化合物、氮氢化合物、硫化物、水汽等成分）。

第三步，气化得到的混合气体通入气体纯化装置9，去除氮氢化合物、水、硫化物等杂质气体，得到碳氢化合物含量达到99.999%（体积）的高纯气体，再将气体通过增压泵（气体增压泵）10灌入钢瓶（气体钢瓶）11。

第四步，所述含碳氢化合物的混合气体用体积纯度为99.999%的氢气稀释后通入到微波等离子体化学气相沉积装置中（碳氢化合物气体、高纯氢气的体积配比为1：15），在天然单晶金刚石衬底上同质外延生长金刚石。待生长的金刚石厚度达到要求后，取出金刚石，得到样品。

第五步，用激光切割的方法将天然单晶衬底切除（采用激光切除样品中的天然金刚石），得到以人体头发为碳源制备的金刚石。将制备得到的金刚石用Raman光谱仪检测评价其质量，如图2所示，说明本发明得到了金刚石。

上述将人体头发由固态转变为气态的氢等离子体为电弧等离子体。所用的微波等离子体化学气相沉积方法中的微波频率是2.45GHz 或0.915GHz。

本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数（如气压、电流、氢气流量等）的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，将人体头发粉碎后挤压成人体头发细棒，人体头发细棒的直径为0.5～1.5mm；

第二步，人体头发细棒置于电弧阳极中，电弧阳极为中空形状；氢气从氢气瓶通入放置于金属腔室内的电弧阴极中；利用电弧放电将通入氢气变成氢等离子体，使人体头发细棒气化转变为气体混合物；

第三步，将气体混合物中的氮氢化物、硫化物、水汽杂质气体去掉，得到体积纯度为99.999％的碳氢化合物气体；

第四步，利用所述碳氢化合物气体和高纯氢气的混合气体为原料，采用微波等离子体化学气相沉积方法在天然金刚石衬底上同质外延生长金刚石，得到样品；所述的碳氢化合物气体、高纯氢气的体积配比为1：10-200；

第五步，采用激光切除样品中的天然金刚石，得到由人体头发为碳源制备的金刚石。

2.根据权利要求1所述的一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，其特征在于，第二步中，利用电弧放电将通入氢气变成氢等离子体，使人体头发细棒气化转变为气体混合物的工艺条件为：氢气流量为450～600ml/min，气压7kPa-100kPa,电压范围为30～150V，放电电流为50～120A，电弧阳极与电弧阴极的距离为1～5mm，人体头发细棒被推进的速度为1～2mm/s。

3.根据权利要求1所述的一种利用人体头发为碳源合成金刚石的方法，其特征在于，第四步中，高纯氢气的体积纯度为99.999％。