CN113856557A - 一种人工培育金刚石用组装块 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工培育金刚石加工制造技术领域，具体涉及一种人工培育金刚石用组装块。该组装块由内至外可分为四层结构；以组装块中心盛有原料柱的氧化镁层作为核心第一层；第二层由：在氧化镁层的上部和下部所设计的保温层，和在纵向方向对立设计的石墨管组成；第三层由：在纵向方向石墨管外部设计所设计NaCl管，和横向方向所设计的石墨片组成；同时，纵向NaCl管外部设有外衬层；第四层为最外层的叶蜡石合成块。本申请利用温度梯度法优点，通过提供源源不断的动力保证以及碳源提供，来克服静压熔媒粉末合成法生长后期的动力及碳源提供不足缺陷，同时通过对保温结构设计改进来克服现有温度梯度法的缺陷。

Description

一种人工培育金刚石用组装块

技术领域

本发明属于人工培育金刚石加工制造技术领域，具体涉及一种人工培育金刚石用组装块。

背景技术

培育金刚石是指以人工工业合成方法获得的金刚石，当重量、净度、色度等都达到宝石级的要求后，经过特定的切工打磨后可进一步作为培育钻石应用于首饰加工等其他行业。随着生产技术的进步、社会的发展和人们需求增加，近几年，培育金刚石的合成生产技术得到了进一步发展。

现有技术中，合成培育金刚石的方法主要有高压高温法（HPHT法）和化学气相沉积法等。受限于成本等因素，其中HPHT高压高温法是最为普遍的工业合成方法。而HPHT高压高温法合成方法又可分为温度梯度法和静压熔媒法两种，其均以石墨、金刚石粉为碳源，通过在六面顶压机内模拟天然钻石的生长环境合成生产出钻石晶体。但两种合成方法又各有优缺点，具体而言：

静压熔媒法合成培育钻石时，一方面需要不断补给由于合成块体积收缩而损耗的压力扩散驱动力，但又不能越过六面顶压机设备的压力极限，这就限制了静压熔媒法合成培育钻石在长时间合成上的可持续性和稳定性，另一方面静压熔媒法合成出的培育钻石品质稳定性相对较差，成品率占比相对较低；

而温度梯度法合成培育钻石时，一方面在合成过程中，培育钻石生长在同一触媒片上，很难避免相互干扰，由于生长环境较差、杂质多，进而造成产品常见的诸如沟槽状、圆弧状、畸形等缺陷；另一方面受结构的局限性，单块产量较低的同时，提升空间相应也很小。

总之，结合不同合成方法特点，如何进一步改善和提升合成质量，仍然是现有合成技术的主要技术关注点。

发明内容

本申请目的在于提供人工培育金刚石用组装块，从而为人工培育金刚石的稳定生产奠定一定技术基础。

本申请的技术方案详述如下。

一种人工培育金刚石用组装块，由内至外可分为四层包裹结构；其中，以组装块中心盛有原料柱的氧化镁层作为核心第一层；

所述原料柱由置于上层的碳源层和置于下层的石墨芯柱组成；

第二层由：在氧化镁层的上部和下部所设计的保温层，和在纵向方向对立设计的石墨管组成；

第三层由：在纵向方向石墨管外部设计所设计NaCl管，和横向方向所设计的石墨片组成；同时，纵向NaCl管外部设有外衬层；外衬层制备材质例如为白云石；

第四层为最外层的叶蜡石合成块，同时，为便于操作，在组装块的两个对立面上分别设计有叶腊石环；实际设计中，组装块的上部和下部分别设计有导电部件；所述导电部件具体例如为导电钢圈。

所述碳源层，其制备原料为：高纯石墨+石墨质量0.01-0.015%比例的微量元素Al；所述高纯石墨为石墨纯度不低于99.9%石墨；

具体制备时，在高纯石墨基础上，添加质量分数为0.01-0.015%微量元素Al，采用通用的生产工艺压制烧结等工序，制备成厚度为3-5mm的薄片供作培育钻石合成碳源使用。

所述碳源层，具体规格例如为：φ45mm×4mm。

所述石墨芯柱，以质量比计，触媒：高纯石墨的=10~20:80~90；

所述触媒，以质量百分计，其组成为：Fe 50-60%、Ni 10-20%、Mn 5-10%、10< Co≤15%，1<Al≤2%，1<Ti≤5%，0.1<Cu≤1%；再加入相当于触媒质量0.01%-0.02%比例的80/100--170/200粒度金刚石微粉；

具体制备时，各化学元素的添加均以单质粉末形式加入，Fe粉、Ni粉 、Mn 粉、Co粉、Al 粉、Ti 粉、Cu粉均为300目细；

具体制备时，石墨芯柱采用目前通用的加工工艺制备，即通过高速混料、造粒、压制成型、真空还原处理等生产步骤加工制成。

所述石墨芯柱，具体规格例如为：φ45mm×39mm。

所述人工培育金刚石用组装块在人工合成制备金刚石中应用，配合六面顶压机进行生产制备。

本申请中，通过对温度梯度法与静压熔媒粉末合成法的深入研究，发明人以静压熔媒粉末合成法为基础，结合温度梯度法进行了相关改进。具体而言，本申请中，一方面对原有的保温层结构进行了进一步调整，将原有的上下保温层统一的单一材质构造，改为由不同材质组成的复合材质元件，从而使不同截面区域温度基本一致，进而有利于提高钻石生长环境的一致性和稳定性。另一方面，通过补充碳源方式，来克服静压熔媒粉末合成法生长后期的动力及碳源提供不足的技术缺陷。

总体上，本申请所提供的组装块，一方面结合粉状石墨芯柱配方的进一步优化，来减少晶粒生长期间相互干扰现象，确保晶粒的均匀稳定生长，另一方面，利用温度梯度法优点，通过提供源源不断的动力保证以及碳源提供，来克服静压熔媒粉末合成法生长后期的动力及碳源提供不足缺陷，同时通过对保温结构设计改进来克服现有温度梯度法的缺陷。初步应用效果表明，本申请所提供的组装块，其结构稳定，保温效果好、成品率高、实用性强，对于提高产品品质和培育合成高品质无色培育钻石具有较好的技术意义。

附图说明

图1为本申请所提供组装块结构示意图；

图2为不同保温区域结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。在介绍具体实施例前，下述实施例中所涉及的石墨均为纯度≥99.9999%的高纯石墨。

实施例1

如图1所示，本申请所提供的人工培育金刚石用组装块，由内至外可分为四层包裹结构；其中，以组装块中心盛有原料柱的氧化镁层8作为核心第一层；

所述原料柱由置于上层的碳源层10和置于下层的石墨芯柱11组成；

第二层由：在氧化镁层8的上部和下部所设计的保温层9，和在纵向方向对立设计的石墨管6组成；

第三层由：在纵向方向石墨管6外部设计所设计NaCl管5，和横向方向所设计的石墨片7组成；同时，纵向NaCl管5外部设有外衬层4；外衬层制备材质为白云石；

第四层为最外层的叶蜡石合成块1，同时，为便于操作，在组装块的两个对立面上分别设计有叶腊石环3；实际产品中，组装块的上部和下部分别设计有导电部件2；所述导电部件具体为导电钢圈。

所述碳源层，其制备原料为：高纯石墨+质量分数为0.01-0.015%微量元素Al；以具体配方为例，具体制备时，在高纯石墨基础上，添加相当于石墨质量分数0.012%比例的微量元素Al，采用通用的生产工艺压制烧结等工序，制备成规格为φ45mm×4mm的圆形薄片（密封袋真空包装），供作培育钻石合成过程中补充碳源使用。具体制备工艺参考如下：

将物料使用三维混料机混合均匀后，通过四液柱压机压制成型，随后置于真空烧结炉中连续烧结三次：第一次的烧结温度为1000℃-1200℃，保温时间为13h-17h；第二次的烧结温度为850℃-950℃，保温时间为8h-12h；第三次的烧结温度为750℃-850℃，保温时间为8h-12h；烧结完成后，自然冷却至室温，并将所得碳源层真空包装备用。

所述石墨芯柱，以质量比计，触媒：高纯石墨的=10~20:80~90；

所述触媒，以质量百分计，其组成为：Fe 50-60%、Ni 10-20%、Mn 5-10%、10< Co≤15%，1<Al≤2%，1<Ti≤5%，0.1<Cu≤1%；再加入相当于触媒质量0.01%-0.02%比例的80/100--170/200粒度金刚石微粉；

以具体配方比例和制备为例，触媒：高纯石墨的=15:85；触媒组成为：Fe 57%、Ni15%、Mn 8%、Co 13%、Al 1.5%、Ti 5%、Cu 0.5%；各化学元素以单质粉末（粒度均为300目细）形式和高纯石墨混合均匀后，再加入相当于触媒质量0.015%比例的140/170粒度金刚石微粉混合均匀，采用目前通用的高速混料、造粒、压制成型、真空还原处理等生产工艺制备成石墨芯柱(密封袋真空包装)即可，规格φ45mm×39mm。具体制备工艺过程可参考如下：

将触媒与高纯石墨使用三维混料机混合均匀，混合均匀后物料加入到对辊挤压造粒机上进行造粒，造粒结束后用四柱液压机压制成型；

随后，将原料芯柱装盘后转入真空加热炉中真空还原纯化：

保温温度800℃，保温3小时后通入氢气还原；通氢气前先关闭抽真空系统，通氢气至炉内压力达到0.02MPa，保持15分钟后开启抽真空系统并抽真空15分钟，重复循环不少于5次，确保充分还原；继续800℃保温2小时后，通入氩气至炉内使压力达到0.12MPa，再启动冷却风机至炉温低于60℃时出炉，将所得合成用原料芯柱真空包装备用。

所述保温层9，如图2所示，采用复合保温层设计；根据保温性能要求差异，可分为A、B、C三个部分（由外至内，采用热导率依次降低的保温材料；A区域为高温区，B区域为中温区，C区域为低温区，靠近发热体的A区域用热导率高的材料制备而成，通过增加散热来降低A区域的温度；B区域采用热导率居中的材料制备而成；C区域采用热导率最低的材料制备而成；即，通过不同区域热导性能差异来调节控制各区域的保温性能，以使各个区域温度基本一致，从而为钻石生长提供相对一致的生长环境，进而确保生长效果的均一性），具体制备时，可将每层保温层分别预置成一定规格的φ16mm、φ32mm×φ16mm、φ48mm×φ32mm圆片或圆环，以备进行复合组装后应用。

具体应用时，参考前述介绍，将各部件组装成一个组装块整体后，置于六面顶压机内进行高压高温合成，即可用于合成培育制备优质高产的培育钻石。

需要解释的是，本申请中所采用的石墨芯柱是一种静压熔媒粉末合成法用芯柱，但现有静压熔媒法合成培育金刚石时，是没有纵向温度梯度的；而现有温度梯度法合成制备金刚石时又缺少现有静压熔媒法合成法中金刚石生长环境以及空间；因此，本申请相当于：以静压熔媒粉末合成法用石墨芯柱来替代现有温度梯度法中的触媒层，因此，相关工艺相当于结合了两种合成方法的技术优点。采用本申请组装块的具体合成工艺可参考如下：

六面顶压机内，合成腔体内压力为6.2-6.3GP，合成温度为1200℃-1400℃，合成时间40-70小时；合成结束后取出合成块，进一步经过酸处理提纯等现有常规操作后，即可得到培育金刚石。

相关生产统计结果表明，采用本申请组装块后，合成后单块产量60-80ct，色度D、E色，A等品比例可达75-85%，表现出较好的生产应用效果。

总体上，本申请组装块设计中，其主要技术思路为：为弥补现有静压熔媒粉末合成法的缺陷，为提供稳定的驱动力、满足合成环境的稳定，本发明结合温度梯度法进行了进一步改进。具体而言：

1、现有HPHT高压高温合成培育钻石时，由于合成腔内部温度场分布不够均匀，靠近发热体的部位温度偏高，而相对离发热体较远的部位温度偏低，致使同一截面有一定的温度差存在，进而对金刚石生长环境构成较大影响，不利于培育钻石的均匀生长。因此，本申请通过对保温层9的改进，以使同一截面温度基本一致。另一方面，本申请通过上下加热部件7以及保温层9的设计，从而在垂直方向上形成一定的温度梯度（温度梯度大约在20-50℃范围）。通过这种不同温度层、但每个温度层相对均一的设计来调节钻石的生长环境，从而最大程度发挥温度梯度合成法的技术优势；

2、通过对石墨芯柱配方的进一步优化，从而确保各元素相互促进与互补和充分的共融共渗，进而达到“生长单间”丰富，长时间合成时晶粒生长独立、互不干扰的技术效果，以有利于合成培育高产高质培育钻石；

3、结合温度梯度法技术优点，利用温度梯度作为驱动力，通过碳源层设计，来充分保证碳源的补给，来克服静压熔媒粉末合成法生长后期的动力及碳源提供不足的缺陷；而碳源层设计中，微量元素的添加一方面通过除氮除杂作用发挥来保证碳源的纯度，另一方面有利于细化晶粒尺寸，提高高压高温合成时的分散效果，保证合成过程的稳定持续性。

初步应用效果表明，采用上述组装块后，合成过程稳定，成功率高，合成制备的培育钻石单块产量高，晶型、内部净度、色度等质量都较好，对于提高产品品质和培育合成高品质无色培育钻石具有较好的技术意义。

Claims (8)

1.一种人工培育金刚石用组装块，其特征在于，该组装块由内至外可分为四层结构；其中，以组装块中心盛有原料柱的氧化镁层作为核心第一层；

所述原料柱由置于上层的碳源层和置于下层的石墨芯柱组成；

第二层由：在氧化镁层的上部和下部所设计的保温层，和在纵向方向对立设计的石墨管组成；

第三层由：在纵向方向石墨管外部设计所设计NaCl管，和横向方向所设计的石墨片组成；同时，纵向NaCl管外部设有外衬层；

第四层为最外层的叶蜡石合成块。

2.如权利要求1所述人工培育金刚石用组装块，其特征在于，第三层中的外衬层制备材质为白云石。

3.如权利要求1所述人工培育金刚石用组装块，其特征在于，在最外层的第四层上，在组装块的两个对立面上分别设计有叶腊石环；同时，组装块的上部和下部分别设计有导电部件。

4.如权利要求1所述人工培育金刚石用组装块，其特征在于，所述碳源层，其制备原料为：高纯石墨+石墨质量0.01-0.015%比例的微量元素Al；所述高纯石墨为石墨纯度不低于99.9%石墨。

5.如权利要求1所述人工培育金刚石用组装块，其特征在于，所述石墨芯柱，以质量比计，触媒：高纯石墨的=10~20:80~90；

所述触媒，以质量百分计，其组成为：Fe 50-60%、Ni 10-20%、Mn 5-10%、10< Co≤15%，1<Al≤2%，1<Ti≤5%，0.1<Cu≤1%；再加入相当于触媒质量0.01%-0.02%比例的80/100--170/200粒度金刚石微粉。

6.如权利要求1所述人工培育金刚石用组装块，其特征在于，所述碳源层，具体规格为：φ45mm×4mm；所述石墨芯柱，具体规格为：φ45mm×39mm。

7.权利要求1~6任一项所述人工培育金刚石用组装块在人工合成制备金刚石中应用，其特征在于，配合六面顶压机用于生产制备金刚石。

8.如权利要求7所述人工培育金刚石用组装块在人工合成制备金刚石中应用，其特征在于，制备金刚石时，六面顶压机合成腔体内压力为6.2-6.3GP，合成温度为1200℃-1400℃，合成时间40-70小时。

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