CN113816737A - 一种高效制备透明金刚石材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效制备透明金刚石材料的方法，该方法以气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜为原料，工艺步骤：(1)将金刚石或类金刚石膜加工成所要求的形状和大小，即为初始样品；(2)包裹材料为静水压性好、化学性能稳定的材料，且要求质量纯度≥99％，粒径＜100μm，含水量＜0.5wt％；(3)将包裹材料放入模具中，将至少一个初始样品放入包裹材料中，然后加压形成型坯；(4)将型坯在压强5～16GPa、温度1000～2500℃的条件下处理10～20000s，处理时间到达后，降压降温至常压室温，然后清洗去除包裹材料和经高温高压处理后的样品表面杂质，即得到透明金刚石材料。

Description

一种高效制备透明金刚石材料的方法
技术领域
本发明属于透明金刚石材料领域，涉及透明金刚石材料的制备方法。
背景技术
金刚石为典型共价键超硬陶瓷材料，具有独特性能和广泛用途，但透明金刚石材料昂贵而且难以获得。透明金刚石既具有陶瓷材料所共有的高熔点、高强度、高绝缘、耐腐蚀、耐高温等性能，又具备良好的透光性，相较于普通的光学材料拥有许多优势，如：高折光率、高导热率等，因此可制成多种用途的电-光、电-机军民两用器件，在珠宝装饰领域也有巨大市场。
随着现代科学技术的发展，尤其是现代化武器装备的发展，红外光学材料的应用益广泛，特别是在高功率激光窗口、热像仪窗口、及各种武器装备光电系统的窗口等，同时对红外窗口材料的物理性能也提出了越来越高的要求。在服役环境下红外窗口材料既要满足通过所需要的红外福射能量，又要能够保护内部器件抵抗外部极端环境，只有金刚石能在这种环境下长期保持透明，使探测到的入射光的数据保持精确。由于天然金刚石数量稀少，价格品贵，且多为小尺寸，限制了其在光学领域的应用。
化学气相沉积法(CVD)是制备透明金刚石的一种方法，常用的有微波等离子体化学气相沉积法、直流电弧等离子体化学气相沉积法和热丝法，其原理基本都是含碳气体(如甲烷)和氢气的混合气体被不同激活源激发(离解)，产生含碳的活性基团以及原子氢，最终在衬底表面发生一系列复杂的物理化学过程，实现金刚石单晶/多晶膜的生长。目前，化学气相沉积法(CVD)可以制备的透明金刚石膜厚度通常小于100μm，而且成本极高，对设备的稳定性及制备工艺参数有很高的要求，沉积速率需控制在很低的范围(沉积速率为15um/h)以内。目前只有通过微波装置才能沉积出无色透明的金刚石膜，且成品率较低，大多金刚石膜由于内部存在应力引起弹塑性变形和沉积过程中引入的杂质变为灰色或褐色，透明度差，难以作为透明材料使用，因此给工业化生产带来了很大困难。此外，大尺寸透明金刚石材料(膜厚度大于0.5mm)相对于薄膜有更加广泛的应用，然而随着沉积厚度的增加，金刚石膜透过率呈下降趋势，逐渐变成半透明及黑色不透明状态。因此，化学气相沉积法难以制备出高质量的透明金刚石厚膜，主要有以下原因：1、沉积过程中工艺参数变化多，难以精确控制，微观沉积环境难以一致，导致沉积不均匀。2、长时间沉积生长过程中工艺参数波动会导致非金刚石相(石墨、非晶碳等)的产生，这使得金刚石膜变得不透明，另外生长速率高也会是产生影响透光性缺陷的原因之一。3、沉积过程中不可避免会中引入一些N、H等杂质气体，严重影响金刚石膜的透明度及力学性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效制备透明金刚石材料的方法，以便改善气相沉积的金刚石膜的质量从而获得大尺寸透明金刚石材料，既能降低对设备和制备工艺参数的要求，同时降低成本和缩短制备周期。
本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法，以气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜为原料(类金刚石指金刚石中含有石墨、非晶碳等非金刚石相，类金刚石中金刚石含量在10％-99％)，工艺步骤如下：
(1)初始样品制备
将气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜加工成所要求的形状和大小，即为初始样品；
(2)包裹材料的要求和处理
包裹材料为静水压性好、化学性能稳定(化学性能稳定是指在高温高压处理时包裹材料不与金刚石发生化学反应)的材料，且要求质量纯度≥99％，粒径＜100μm，含水量＜0.5wt％，如果达不到上述要求，进行除杂、细化或除水处理；
(3)加压成型
将包裹材料放入模具中，将步骤(1)制备的至少一个初始样品放入所述包裹材料中，如果放入所述包裹材料的初始样品至少为两个，初始样品之间应填充包裹材料隔离，然后加压形成型坯；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，在压强5GPa～16GPa、温度1000℃～2500℃的条件下处理10s～20000s，处理时间到达后，降压降温至常压室温，然后清洗去除包裹材料和经高温高压处理后的样品表面杂质，即得到透明金刚石材料。
压力温度选择的说明：
上述步骤(4)高温高压处理时压力的选择，需保证在金刚石相的稳定区内进行处理，即保证在高温高压处理时金刚石不会发生石墨化现象，否则高温下发生石墨化会严重影响金刚石的透明度。对于结晶度较好、缺陷较少但透明度较差的CVD单晶金刚石膜，在相对较低的温压条件下(5～9GPa，1000～2000℃)进行高温高压处理便可改善其颜色和透明度，而对于质量较差且存在非金刚石相的不透明CVD多晶金刚石膜，其相比于单晶金刚石存在更多的宏观和微观缺陷，且晶界处存在非晶碳、石墨等非金刚石相和杂质元素，则须在更高的压力下才能保证不会发生石墨化。更高的压力也有利于将非金刚石相在高温高压的处理过程中转化为金刚石，提高金刚石的纯度。所以选择的温压条件在高温高压处理不会发生石墨化的前提下，更高的处理温度对于金刚石的改善效率更高。
本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法，其包裹材料具体为石墨、hBN、NaCl、CsCl、Pt、MgO、Mo、Ta或Re(稀土材料)。
本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法，其步骤(4)中，将压强从常压升至处理压强的升压速率和将压强从处理压强降至常压的降压速率为1GPa/h～10GPa/h，将温度从室温升至处理温度的升温速率和将温度从处理温度降至室温的降温速率为50℃/min～500℃/min。
本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法，其步骤(3)中，加压成型的压强为100MPa～900MPa，施压时间为0.1min～10min。
本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法，其原料——气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜，既可以采用热丝法、微波等离子体化学气相沉积法或直流电弧等离子体化学气相沉积法自行制备，也可以通过市场购买。
本发明所述方法的优越性在于：气相沉积法由于沉积工艺及设备条件的限制，工艺参数及金刚石形成微观环境难以精确控制，导致沉积的金刚石厚膜质量较差，容易产生较多的非金刚石相(石墨，非晶碳等)，膜中存在大量的N、H等杂质，晶界处的一些微观孔洞及缺陷等综合因素，因此沉积的金刚石厚膜光学性能差，难以达到透明材料的要求，同时热学性能及机械性能也严重下降。通过高温高压处理气相沉积法制备的金刚石厚膜可以减少或消除膜内的非金刚石相和晶界处的杂质元素，改善金刚石膜的结晶质量和纯度，显著提高其透明度，修复内部存在的微裂纹与应力缺陷，从而提高金刚石膜的导热性和机械强度。再者，采用气相沉积法得到的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜，一方面沉积工艺要求低，相对容易实现，原材料的获得效率高，成本低，另一方面在高温高压处理时容易将非金刚石碳转变为金刚石碳，能高效纯化及消除影响透光率的各种缺陷与杂质，相比于高温高压直接制备透明金刚石材料，所需要的压力、温度将明显降低。
本发明所述方法具有以下有益效果：
1、本发明所述方法以气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜为原料，通过高温高压处理形成透明金刚石材料，为透明金刚石材料的制备提供了一种新的技术方案。
2、由于采用微波等离子体气相沉积法制备无色透明的金刚石膜时需控制在很低的沉积速率下才能保证其质量(15μm/h以下)，通常制备一批次透明金刚石膜周期长，需要数周时间，而采用气相沉积法制备半透明或不透明金刚石或类金刚石膜，可通过添加氮气或其他沉积方式使用更高的沉积速率，缩短制备周期,目前文献报道的微波装置最快沉积速率可以达到150μm/h,而采用直流电弧喷射法最高速率已达到1000μm/h。对于这种快速制备但质量较差的金刚石膜，只需再通过高温高压快速处理即可得到透明金刚石材料，与采用气相沉积法制备透明金刚石膜相比，制备周期可缩短一半以上，因此相较于气相沉积法制备透明金刚石膜，本发明所述方法明显提高了制备透明金刚石材料的功效。
3、由于本发明所述方法以气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜为原料，通过高温高压处理形成透明金刚石材料，因而除提高了制备透明金刚石材料的功效以外，还可降低对气相沉积设备的要求和技术难度大，从而降低制备成本。
4、本发明所述方法制备的透明金刚石材料性能优异，可作为超音速拦截导弹窗口、激光制导导弹窗口、红外武器成像装置窗口、高功率激光器窗口材料使用。
附图说明
图1为高温高压处理时一种型坯与大腔体静高压装置的组装示意图；
图2为高温高压处理时另一种型坯与大腔体静高压装置的组装示意图；
图3为气相沉积法制备的不透明多晶金刚石未抛光的光学显微镜照片；
图4为本发明实施例1中初始样品和经高温高压处理后得到的透明多晶金刚石的光学显微镜照片；
图5为本发明实施例2中初始样品和经高温高压处理后得到的透明多晶金刚石的光学显微镜照片；
图6为本发明实施例7中初始样品和经高温高压处理后得到的透明多晶金刚石的光学显微镜照片；
图7为本发明实施例4制备的透明多晶金刚石光学显微镜照片；
图8为本发明实施例4制备的透明金刚石的X射线衍射图；
图9为本发明实施例4制备的透明金刚石的拉曼光谱。
图中，1—传压材料，2—加热管，3—第一保温材料，4—第二保温材料，5—第一隔绝材料，6—第二隔绝材料，7—包裹材料，8—初始样品。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明所述高效制备透明金刚石材料的方法作进一步说明。显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下述实施例中，大腔体静高压装置为国产铰链式六面顶压机，型号为DS 6×8MN，生产企业：张家口探矿机械厂；所用原料均通过市场购买。
实施例1
本实施例以直流电弧等离子体喷射法制备的厚度为1.5㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为1.5㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为1.0mm，然后用激光切割成直径2.0㎜、厚度(高度)1.0㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径小于100μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，如图1所示，所施加的压强为700MPa，施压时间为1min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至12GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至1800℃并保温处理300s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆台体的透明金刚石，见图4。
实施例2
本实施例以直流电弧等离子体喷射法制备的厚度为0.8㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为0.8㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为0.5mm，然后用激光切割成直径3.0㎜、厚度0.5㎜的圆片体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在300℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径小于100μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的两个初始样品放入处理后的NaCl中，两个初始样品之间填充处理后的NaCl隔离然后加压形成NaCl包裹两个初始样品的型坯，如图2所示，型坯中两个初始样品之间隔离层的厚度约2mm左右，所施加的压强为800MPa，施压时间为1min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图2所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至10GPa后保持压强不变，再以100℃/min的升温速率升温至2000℃并保温处理600s，处理时间到达后，首先以100℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆片体的透明金刚石，见图5。
实施例3
本实施例以直流电弧等离子体喷射法制备的厚度为2.5㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为2.5㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为2.0mm，然后用激光切割成边长2.0mm、高度(厚度)2.0㎜的立方体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径约50μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，如图1所示，所施加的压强为800MPa，施压时间为0.5min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至13GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至1900℃并保温处理300s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为立方体的透明金刚石。
实施例4
本实施例以微波等离子体化学气相沉积法制备的厚度为1.5㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为1.5㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为1.0mm，然后用激光切割成直径2.0mm、高度(厚度)1.0㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为粒径为10μm的铂金微粉，将铂金微粉在真空度为4Pa、温度为600℃的条件下进行氢气还原处理1h，以去除含有的氧化物及表面吸附的油脂、水蒸气等杂质，使铂金微粉的质量纯度达到99％，含水量小于0.5wt％；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的铂金微粉放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的铂金微粉中，然后加压形成铂金包裹初始样品的型坯，如图1所示，所施加的压强为700MPa，施压时间为3min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至15GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至2300℃并保温处理600s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用王水清洗去除铂金包裹材料及经高温高压处理后的样品表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆台体的透明金刚石，见图7。对得到的透明金刚石进行了测试分析，X射线衍射谱图如图8所示，拉曼光谱图如图9所示，测试结果表明，通过高温高压处理得到的透明金刚石只具有金刚石相，无其他杂质成分。
实施例5
本实施例以微波等离子体化学气相沉积法制备的厚度为1.5㎜的半透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为1.5㎜的半透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为1.0mm，然后用激光切割成直径2.0mm、高度(厚度)1.0㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在400℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径约50μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的三个初始样品放入处理后的NaCl中，初始样品之间填充处理后的NaCl隔离然后加压形成NaCl包裹三个初始样品的型坯，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，型坯中初始样品之间隔离层的厚度约1mm左右，所施加的压强为700MPa，施压时间为1min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，然后以5GPa/h的升压速率升压至15GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至2000℃并保温处理300s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆台体的透明金刚石。
实施例6
本实施例以直流电弧等离子体喷射法制备的厚度为2.0㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为2.0㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为1.5mm，然后用激光切割成直径8.0mm、高度(厚度)1.5㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径约50μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，所施加的压强为700MPa，施压时间为1min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至12GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至2400℃并保温处理30s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆台体的透明金刚石。
本实施例对不透明多晶金刚石膜原料和所制备的透明金刚石进行了宏观性能检测，不透明多晶金刚石膜原料的红外透过率为15％，导热率为1200W/m.K；所制备的透明金刚石的红外透过率为68％，导热率为1800W/m.K。检测结果表明，采用本发明所述方法制备的透明金刚石，其光学性能与热学性能都有了极大的改善。
实施例7
本实施例以直流电弧等离子体喷射法制备的厚度为1.8㎜的不透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为1.8㎜的不透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为1.5mm，然后用激光切割成直径6.0mm、高度(厚度)1.5㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为粒径约1μm石墨粉，将石墨粉在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃的条件下真空热处理1h，以去除表面吸附的水气、油脂等杂质，使石墨粉的质量纯度达到99％，含水量小于0.5wt％；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的石墨粉放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的石墨粉中，然后加压形成石墨包裹初始样品的型坯，所施加的压强为800MPa，施压时间为2min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至9GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至1900℃并保温处理3600s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水和无水乙醇反复超声清洗去除石墨包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为圆台体的透明金刚石，见图6。
实施例8
本实施例以微波等离子体化学气相法制备的厚度为5.3㎜的半透明单晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为5.3㎜的半透明单晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为5.0mm，然后用激光切割成长度和宽度均为6.0mm、高度(厚度)5.0㎜的长方体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径约10μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，所施加的压强为650MPa，施压时间为5min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至6GPa后保持压强不变，再以100℃/min的升温速率升温至1900℃并保温处理600s，处理时间到达后，首先以100℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为长方体的透明金刚石。
实施例9
本实施例以微波等离子体化学气相法制备的厚度为2.5㎜的半透明多晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为2.5㎜的半透明多晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为2.0mm，然后用激光切割成直径10.0mm、高度(厚度)2.0㎜的圆台体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径小于100μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，所施加的压强为700MPa，施压时间为1min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以5GPa/h的升压速率升压至11GPa后保持压强不变，再以200℃/min的升温速率升温至2200℃并保温处理500s，处理时间到达后，首先以200℃/min的降温速率将温度降至室温，再以3GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到透明金刚石。
实施例10
本实施例以微波等离子体化学气相法制备的厚度为2.5㎜的半透明单晶金刚石膜为原料制备透明金刚石，步骤如下：
(1)初始样品制备
将厚度为2.5㎜的半透明单晶金刚石膜双面抛光，控制厚度为2.0mm，然后用激光切割成长度和宽度均为5mm、高度(厚度)2.0㎜的长方体，即为初始样品；
(2)包裹材料处理
包裹材料为质量纯度99％的NaCl，将NaCl研磨后放入马弗炉中在200℃干燥4小时去除水分，使其含水量小于0.5wt％，之后将干燥后的NaCl研磨成粒径约10μm的微粒；
(3)加压成型
将步骤(2)处理后的NaCl放入模具中，将步骤(1)制备的一个初始样品放入处理后的NaCl中，然后加压形成NaCl包裹初始样品的型坯，所施加的压强为200MPa，施压时间为10min；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，组装方式如图1所示，然后以1GPa/h的升压速率升压至7GPa后保持压强不变，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃并保温处理10000s，处理时间到达后，首先以100℃/min的降温速率将温度降至室温，再以2GPa/h的降压速率将压力降至常压，然后用去离子水超声去除NaCl包裹材料，再用王水清洗经高温高压处理后的样品去除表面杂质，并双面研磨抛光后即得到形状为长方体的透明金刚石。

Claims (5)

1.一种高效制备透明金刚石材料的方法，其特征在于以气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜为原料，工艺步骤如下：
(1)初始样品制备
将气相沉积法制备的半透明或不透明金刚石或类金刚石膜加工成所要求的形状和大小，即为初始样品；
(2)包裹材料的要求和处理
包裹材料为静水压性好、化学性能稳定的材料，且要求质量纯度≥99％，粒径＜100μm，含水量＜0.5wt％，如果达不到上述要求，进行除杂、细化或除水处理；
(3)加压成型
将包裹材料放入模具中，将步骤(1)制备的至少一个初始样品放入所述包裹材料中，如果放入所述包裹材料的初始样品至少为两个，初始样品之间应填充包裹材料隔离，然后加压形成型坯；
(4)高温高压处理与包裹材料的去除
将步骤(3)制备的型坯放入大腔体静高压装置中，在压强5GPa～16GPa、温度1000℃～2500℃的条件下处理10s～20000s，处理时间到达后，降压降温至常压室温，然后清洗去除包裹材料和经高温高压处理后的样品表面杂质，即得到透明金刚石材料。
2.根据权利要求1所述高效制备透明金刚石材料的方法，其特征在于所述包裹材料为石墨、hBN、NaCl、CsCl、Pt、MgO、Ta、Mo或Re。
3.根据权利要求1或2所述高效制备透明金刚石材料的方法，其特征在于步骤(4)中，将压强从常压升至处理压强的升压速率和将压强从处理压强降至常压的降压速率为1GPa/h～10GPa/h，将温度从室温升至处理温度的升温速率和将温度从处理温度降至室温的降温速率为50℃/min～500℃/min。
4.根据权利要求1或2所述高效制备透明金刚石材料的方法，其特征在于步骤(3)中，加压成型的压强为100MPa～900MPa，施压时间为0.1min～10min。
5.根据权利要求3所述高效制备透明金刚石材料的方法，其特征在于步骤(3)中，加压成型的压强为100MPa～900MPa，施压时间为0.1min～10min。
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