CN106987900A - 一种金刚石大单晶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石大单晶及其制备方法，其反应物为20‑35wt％金属氧化物和65‑80wt％碱金属氰化物，经脱水混合后在高温高压的环境中反应生成碱金属氧化物、金属氮化物、金刚石大单晶和氮气，将生成物放入烘箱中烘干去除金属氮化物和碱金属氧化物后得金刚石大单晶成品。本发明的有益效果是，反应物组分少，配方简单，对各反应物前期处理简单，反应条件要求低，反应时间短，易于控制，产物稳定且分离操作方便，适于工业化生产。本发明金刚石大单晶成品粒度为4‑6.5mm，得率为9‑12％。

Description

一种金刚石大单晶及其制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石合成领域，尤其涉及一种化学合成的金刚石大单晶及其制备方法。
背景技术
金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的一种同素异形体，金刚石是目前发现的最坚硬的天然物质之一。金刚石用途广泛，利用其硬度高这一特点，金刚石可用作钻头、刀具，金刚石还可加工成名贵的钻石。天然金刚石存量少，开采难度大，成本高，很难满足金刚石在工业领域的应用，人工合成法制备出的金刚石在性能上接近天然金刚石，是天然金刚石的最佳替代物，传统的人工合成法一般为静压触媒法、爆炸法和外延法。
静压触媒法是以石墨为原料，以过渡金属合金为触媒，以液压机产生的恒定高压，以电流产生持续高温，使石墨转化为金刚石，转化条件一般为5-7Gpa，1300-1700℃。石墨粉和金属粉在高温高压作用下，缓慢生产相变动力，一部分转变为金刚石，成核后的金刚石再随着时间的延长而长大。静压触媒法存在压强高，温度高，金刚石晶体粒度小，形状不规则，产量低，效率低，费时等缺陷。
爆炸法是用炸药爆轰石墨或用炸药驱动飞片击打石墨产生高温高压使石墨转化为金刚石。该技术制备的金刚石粒度更小，回收复杂，得率低于5％。
外延法是利用热能和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种和某些基底作用的物质上外延生长而成的。虽然有时能生长出1克拉的大单晶，但存在工艺复杂，耗时过长，不宜工业化生产的缺陷。
发明内容
本发明针对现有人工合成法制备金刚石粒度小、产量低、耗时长的问题，提供一种化学合成法制备的金刚石大单晶及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种金刚石大单晶，其特征在于，所述金刚石大单晶是由20-35wt％金属氧化物和65-80wt％碱金属氰化物组成的原料混合物反应而成，其反应通式为：
xMaOb+2bxACN＝bxA2O+aMxNy+2bxC+(bx-ay/2)N2，
其中：
MaOb为金属氧化物；
ACN为碱金属氰化物；
A2O为碱金属氧化物；
MxNy为金属氮化物；
a、b、x、y为正整数。
所述金属氧化物选自MgO、FeO、Cr2O3中的一种或两种的混合物。
所述碱金属氰化物选自NaCN、KCN、Na4[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]中的一种。
本发明的有益效果是，反应物组分少，配方简单，反应条件要求低，易于控制，反应产物稳定，无污染易回收，适于工业化生产。
本发明还提供所述金刚石大单晶的制备方法，包括以下步骤：
1)按比例称取原料混合物的各组分，烘干脱水充分混合后用模具压制成反应块，将反应块置于反应设备中，加压至0.8-1.2GPa；
2)向反应块通电，控制反应温度在800-1100℃，反应10-15min后，停止通电，温度降至700℃后泄压，待温度降至室温后取出反应物；
3)将步骤2)中所得的反应产物放置在烘箱中的斜面上，设置烘箱温度为800-1300℃，烘干10-15min，待温度降至常温后，即得金刚石大单晶成品。
本发明制备方法的具体反应过程如下：
上述步骤3)中，所述斜面的倾斜角度为10-15°；所述反应产物为金刚石大单晶、碱金属氧化物和金属氮化物的混合物，其中碱金属氧化物和金属氮化物在800-1300℃下熔融，沿着斜面流下分离。
本发明制备的金刚石大单晶粒度为4-6.5mm，得率为9-12％。
所述金刚石大单晶制备方法的有益效果是，对各反应物前期处理简单，反应时间短，对反应产物的分离操作方便效率高。
具体实施方式
以下结合实例对本发明金刚石大单晶及其制备方法进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为28％MgO和72％KCN，其反应式为：
3MgO+6KCN＝3K2O+Mg3N2+6C+2N2。
实施例2：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为30％FeO和70％NaCN，其反应式为：
3FeO+6NaCN＝3Na2O+Fe3N2+6C+2N2。
实施例3：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为25％Cr2O3和75％KCN，
其反应式为：
Cr2O3+6KCN＝3K2O+2CrN+6C+2N2。
实施例4：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为15％MgO、10％Cr2O3和75％KCN，其反应式为：
3MgO+6KCN＝3K2O+Mg3N2+6C+2N2；
Cr2O3+6KCN＝3K2O+2CrN+6C+2N2。
实施例5：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为25％MgO、10％FeO和65％NaCN，其反应式为：
3MgO+6NaCN＝3Na2O+Mg3N2+6C+2N2；
3FeO+6NaCN＝3Na2O+Fe3N2+6C+2N2。
实施例6：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为10％FeO、10％Cr2O3和80％KCN，其反应式为：
2Cr2O3+3FeO+18KCN＝9K2O+Fe3Cr4N6+18C+6N2。
实施例7：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为35％Cr2O3和65％K4[Fe(CN)6]，其反应式为：
2Cr2O3+3K4[Fe(CN)6]＝6K2O+Fe3Cr4N6+18C+6N2。
实施例8：
一种金刚石大单晶，其反应混合物组分为20％Cr2O3和80％Na4[Fe(CN)6]，其反应式为：
2Cr2O3+3Na4[Fe(CN)6]＝6Na2O+Fe3Cr4N6+18C+6N2。
以上实施例金刚石大单晶的制备方法包括以下步骤：
1)按比例称取原料混合物的各组分，烘干脱水充分混合后用模具压制成反应块，将反应块置于反应设备中，加压至0.8-1.2GPa。
2)向反应块通电，控制温度800-1100℃，反应10-15min后，停止通电，温度降至700℃后泄压，待温度降至室温后取出反应物。
该步骤反应过程分为以下几个阶段：当温度达到650℃时反应开始进行，生成碱金属氧化物、金属氮化物、碳单质和氮气，随着温度升高至750℃，生成的金属氮化物开始熔融，生成的碳单质以液态金属氮化物为载体缓慢聚集，在高压下结晶成金刚石晶体，随着反应的持续金刚石晶体不断生长成金刚石大单晶。
3)将所得反应产物放置在烘箱内的斜面上，斜面倾斜角度为10-15°，设置烘箱温度为800-1300℃，烘干10-15min，使金属氮化物和碱金属氧化物熔融后沿着斜面流下与金刚石大单晶分离，待温度降至常温后，取出金刚石大单晶成品。
我们将实施例1-8所得的金刚石单晶与传统方法所得产品进行了比较，结果如表1所示。
表1.实施例1-8与传统方法所得产品的比较结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金刚石大单晶，其特征在于，所述金刚石大单晶是由20-35wt％金属氧化物和65-80wt％碱金属氰化物组成的原料混合物反应而成，其反应通式为：
xMaOb+2bxACN＝bxA2O+aMxNy+2bxC+(bx-ay/2)N2，
其中：
MaOb为金属氧化物；
ACN为碱金属氰化物；
A2O为碱金属氧化物；
MxNy为金属氮化物；
a、b、x、y为正整数。
2.根据权利要求1所述的金刚石大单晶，其特征在于，所述金属氧化物选自MgO、FeO、Cr2O3中的一种或两种的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石大单晶，其特征在于，所述碱金属氰化物选自NaCN、KCN、Na4[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]中的一种。
4.一种权利要求1-3任一项所述的金刚石大单晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按比例称取原料混合物的各组分，烘干脱水充分混合后用模具压制成反应块，将反应块置于反应设备中，加压至0.8-1.2GPa；
2)向反应块通电，控制反应温度在800-1100℃，反应10-15min后，停止通电，温度降至700℃后泄压，待温度降至室温后取出反应物；
3)将步骤2)中所得的反应产物放置在烘箱中的斜面上，设置烘箱温度为800-1300℃，烘干10-15min，待温度降至常温后，即得金刚石大单晶成品。
5.根据权利要求4所述的金刚石大单晶的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述斜面的倾斜角度为10-15°。
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段隆臣等: "《金刚石工具的设计与制造》", 31 March 2013 *

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