CN85100695A - 片状扩散法生长多晶金刚石及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高压下生长多晶金刚石的方法。在压力为70～80干巴，温度为1600℃～2000℃的条件下，根据温度场，压力场的分布特点，用片状触媒扩散，使石墨直接一次快速生长成上、下对称的两个生长型多晶金刚石，其组织致密而均匀，晶粒细小而交错生长，磨制抛光后光洁度好，是制作拉丝成品模等的好材料。

Description

本发明涉及到一种超高压下生长多晶金刚石的制造方法及其该产品的用途。

目前，在高温、高压下研制人造多晶金刚石有两种途径，一是由石墨合成金刚石，再由金刚石微粉烧结成多晶金刚石，即烧结型多晶金刚石。另一就是，由石墨直接一次生长成多晶金刚石，即生长型多晶金刚石。生长型多晶金刚石，组织致密，晶粒细小，约为十几微米到几微米，磨制抛光后能得到比较好的光洁度。关于生长型多晶金刚石的制作方法，在科学通报〔24-4（1979）156〕上发表的“超高压下生长多晶金刚石”一文中已有描述。一种是用丝状触媒，在压力为77千巴，温度为1000°～2000℃条件下生长而成。另一种是用粉状触媒，在同样的压力、温度条件下生长而成。丝状触媒生长的多晶金刚石，往往形成内层致密，外层疏松的两层组织，且易发生层断。或者，形成球状聚晶体，而用粉状触媒生长，能制作复杂形状的多晶金刚石，但粉状触媒装配不方便，难以控制，且不致密。

人造多晶金刚石是研制大颗粒人造金刚石的一种重要途径，它制作方便，易于直接成型。人造多晶金刚石已在机械，地质、冶金、石油工业中广泛应用。近几年，在电线、电缆行业中也开始以人造多晶金刚石拉丝模代替天然的金刚石拉丝模和硬质合金模。在制作拉丝模，特别是拉丝成品模时，要求有较高的光洁度，这就要求多晶金刚石组织致密，晶粒细小。但烧结型多晶金刚石，由于掺杂一定量的粘结剂，一般说来，晶界较宽，且粘结剂集中在晶界。随着粒度细化，烧结更加困难。而生长型多晶金刚石，由于特有的显微组织，是制作拉丝成品模的好材料。

在人造金刚石的生长中，压力、温度及其分布是重要的生长条件。例如，在压力为50～60千巴，温度为1200℃～1600℃下，生长的是小颗粒单晶金刚石，当压力提高到70～80千巴，温度为1600℃～2000℃时。生长速度大大提高，得到的是大颗粒多晶金刚石。在一般的超高压、高温腔体中，压力、温度分布又存在一定梯度（场），它们的配合直接影响触媒金属的扩散和分布，从而影响多晶金刚石的组织和结构。我们用简化的热扩散和压力扩散方程来描述相应的生长状况，方程的形式为：

其中，C为触媒金属的浓度，D为触媒金属的扩散系数，P、T分别为压力和温度，α、β分别为热扩散因子和压力扩散因子。令V_P，T＝αD (αT)/(αX) +βD (αP)/(αX) ，则V_P，T正是生长速度。从方程看到，如果压力场和温度场方向一致，那么就大大加速触媒金属原子的扩散，往往形成辐射状组织。当采用不同的温度场，压力场配合会得到具有不同组织的多晶金刚石。一定的加热方式，并和触媒形状及装配方式相配合，能相应地改变场的分布和触媒金属的扩散。例如，当我们采用管状石墨炉子加热，丝状触媒生长时，得到的是内层致密，外层疏松的两层组织，靠近中心呈辐射状。而当我们按照本发明采用管状石墨炉子加热，片状触媒扩散生长时，得到的是特有的细颗粒，均匀，致密组织。

本发明不同于已有的生长多晶金刚石的技术，是利用温度场和压力场的配合，采用片状触媒扩散生长。其样品装配方式如图（1）所示，在石墨加热炉内，平行于加热炉的上、下端面的中部处，放置一触媒片，两个石墨原材料在触媒片的上、下各放一个。石墨原材料和绝缘管子间用金属箔管套隔开。采用双级超高压技术，在超高压容器内压力达70～80千巴，用石墨加热炉间接加热，温度达1600℃～2000℃。叶蜡石作为传压介质。采用这种片状触媒扩散法，一次就能得到上、下对称的两个生长型多晶金刚石样品。在图（1）中，1是管状石墨炉子，作加热用。2是绝缘管子，使加热炉子和样品隔开。3是金属箔管套，以隔开石墨原材料和绝缘管子。4是上、下对称两个石墨原材料。5是金属或合金触媒片。石墨炉子和石墨原材料均在约5×10毫米水银柱的高真空中，经800℃的净化热处理，生长工艺是升压后，快速加热进入高温高压生长区，生长时间为5～10秒，然后降温卸压，从而得到上、下对称的两个生长型多晶金刚石样品，用它可以制成拉丝成品模，可拉制漆包圆铜线。

本发明根据温度场、压力场的分布特点，用片状触媒扩散法生长的多晶金刚石，组织致密，晶粒细小且交错生长，适于做光洁度要求高的拉丝成品模。用以制作成品模，可拉制漆包圆铜线，拉制线材光洁度符合国际电工会议IEC技术标准。拉丝模寿命相当或超过天然金刚石模，这种片状触媒的装配方式也正好和拉丝模用的金刚石形状相配合，而且一次可得上、下对称的两个多晶金刚石样品。另外，生长型多晶金刚石的优点是：原材料是价格便宜。易于加工的石墨;生长时间短，从石墨一次快速生长成多晶金刚石。

实例1

如图（1）所示，石墨加热炉子直径为φ7毫米，高为11毫米。绝缘材料用氧化铝管子，直径为φ6毫米，高为7毫米。采用Ti金属箔管套，触媒片为NiCrFe，NiMnFe及其它Ni基合金上、下两个石墨原材料，直径为φ4.6～φ4.7毫米，高为3.4毫米。样品组装后放在超高压容器中，先升压、再快速加热进入高温、高压生长区，压力为77千巴，温度为1600℃～2000℃，生长时间为5～10秒，然后降温卸压，从而得到上、下两个直径为φ3.5毫米，高为2～2.5毫米的生长型多晶金刚石，组织致密而均匀，晶粒细小而交错生长。

实例2

用实例1得到的生长型多晶金刚石制成孔径为φ0.3～φ0.7毫米的拉丝成品模，可拉制漆包圆铜线，拉制线材光洁度符合国际电工会议IEC技术标准。

Claims (4)

1、一种在超高压容器和石墨加热炉内所形成的超高压高温条件下，由石墨原材料，经触媒作用，直接一次生长成多晶金刚石的方法，其特征是在一定温度场、压力场的配合下，在石墨加热炉内，平行于加热炉的上、下端面的中部处、放一触媒片。用片状触媒扩散一次得到上、下对称的两个组织致密、晶粒细小而交错生长的生长型多晶金刚石。

2、一种按权利要求（1）所述的由石墨直接一次生长成多晶金刚石的方法，其特征在于采用双级超高压技术，压力为70～80干巴、用石墨加热炉间接加热，温度为1600℃～2000℃。

3、一种按权利要求（1），（2）所述的由石墨直接一次生长成多晶金刚石的方法，其特征在于触媒片是金属或合金片，放置在上、下对称的两个石墨原材料中间、石墨原材料和绝缘管子间用金属箔管套隔开。

4、一种用人造多晶金刚石作模芯制成的拉丝模，其特征是用本发明生产的生长型多晶金刚石作模芯，制成拉丝成品模，可拉制漆包圆铜线。

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