铁镍碳体系中触媒含量的不同对金刚石晶体生长的影响

李春杰，高 峰，李 冰

（长春师范大学，长春 130032）

铁镍碳体系中触媒含量的不同
对金刚石晶体生长的影响

李春杰，高 峰，李 冰

（长春师范大学，长春 130032）

本文以高纯鳞片石墨为碳源，以Fe80Ni20合金触媒粉为触媒，在国产JHY-Ⅲ型六面顶液压机上进行金刚石的合成实验。在设定相同压力及加热功率的条件下研究了触媒粉与石墨粉分别按3：7、4：6、5：5、6：4和7：3混合时对金刚石合成的影响规律，得出了500秒合成时间内最佳石墨触媒混合比为4：6的结论。

铁镍碳；触媒含量；生长影响

0 引言

自人类历史上第一次采用静高温高压法合成出人造金刚石以来［1]，对触媒材料的研究［2-7]就成为了人造金刚石研究的一项重要内容。如今金刚石的工业化生产已有近半个世纪的历史。目前国内的生产企业也已经普遍采用了粉状石墨加上粉末触媒的方法进行金刚石的高温高压合成，其金刚石产量、粒度集中度均较片式组装有了一个较大的飞跃。

工业合成的不同粒度、不同晶型的金刚石在不同领域中有着各自的应用。对于影响金刚石粒度及形貌的原因可能是多方面的，其中人们研究的最主要的方法是从合成工艺方面，通过调节合成压力、温度、合成时间等来调节合成金刚石的粒度及形貌［8-10]。然而，关于在粉末触媒合成金刚石过程中，棒料中触媒的含量对合成的金刚石单晶的影响的研究鲜有报道。吉林大学超硬材料国家重点实验室曾对此问题做过一定的研究，本文以我们已完成的阶段性成果［11，12]为前提，重点研究了铁基粉末触媒与鳞片石墨的混合比不同对合成金刚石单晶的影响，总结出了除合成工艺以外，触媒的含量也对合成的金刚石单晶有着明显影响的基本规律。

1 实验

实验以国产JHY-Ⅲ型六面顶液压机为合成设备，以天然高纯鳞片石墨粉为碳源，以Fe80Ni20合金触媒粉为合成触媒，实验将触媒粉与石墨粉分别按3：7、4：6、5：5、6：4和7：3的比例混合后混料6小时，混料均匀后采用Y41-6.3T型单柱液压机压制成型。组装方式为旁热式组装。在1300-1350度之间，合成压力5.3Gpa左右进行了金刚石的合成实验，文中所有样品合成时间均为500秒。对于每一样品各取20块，经浓硫酸与浓硝酸的混合液煮沸提纯6小时后用稀硝酸精煮4小时处理，烘干后对金刚石进行分析。

2 结果与讨论

2.1 触媒及石墨粉的微观形貌

图1 鳞片石墨及Fe80Ni20合金触媒粉的微观形貌

图1a是高纯鳞片石墨的SEM图，其层状结构明显，晶粒尺寸基本在10μm以下，说明所用石墨原料晶质较好，且可以有足够的活性参与金刚石的转化过程。图1b给出了Fe80Ni20粉末触媒的扫描电镜照片，从图中我们可以看出，触媒的微观形貌为球型或类球型，也有少量的长圆形。金属球表面不是很光滑，而是粘附着一定数量的小金属颗粒，我们认为表面不光滑这种现象的产生是由于在触媒的雾化生产过程中粗颗粒的触媒冷却速度慢，细颗粒触媒先行冷却成固体后碰到粗颗粒触媒而粘接形成的。长圆形触媒则是两个粒度相近的金属液滴在固化过程中粘接形成的。触媒的这种形貌为我们实验过程中的均匀混料提供了很好的必要条件。

2.2 合成金刚石的显微照片分析

图2 合成金刚石样品的光学显微照片

实验合成出的金刚石样品的光学显微照片如图2所示。图2中的a、b、c、d、e分别是触媒含量30%、40%、50%、60%、70%的合成棒料合成的金刚石，从图中我们可以看出，虽然每次实验设定的温度及压力均相同，但由于棒料成分的差异，导致了相同设定条件下的不同合成结果。图2a（触媒含量30%）中金刚石为八面体，晶型完整但晶体表面有较多的蚀坑，这种情况与骸晶相似，说明对触媒含量30%的棒料来说此温度压力不相匹配；图2b是触媒含量40%的棒料合成的金刚石，晶型仍然是标准的八面体晶型，但晶体表面的光滑度明显变好，有部分晶体表面出现碳化现象；当触媒含量升高到50%时（图2c）合成的金刚石晶体出现（100）晶面，晶型呈现为六八面体，但仍有很多晶体表面出现碳化现象；而当触媒含量升至60%（图2d）时，晶体中的（100）面进一步增大且合成的晶体透明度良好，晶体表面平滑，晶形规则而完整；图2e是触媒含量达到70%时合成的金刚石的显微照片，这时合成的金刚石部分呈球晶状，（100）晶面与（111）晶面分布匀称，但晶体表面形貌没有进一步变好，反而再次出现蚀坑及部分不规则的晶体。

我们认为，出现这一现象的原因在于：触媒含量在30%和40%时，由于石墨粉料易被压缩，合成棒料在受高压后形变明显，因而导致的合成腔体内的实际压力要小于设定压力，因而此时的金刚石合成过剩压较小，在设定相同加热功率的条件下，此时的腔体内相对温度就显得过高，因此合成的金刚石晶体基本为八面体，且在保温保压的合成后期由于腔体内的热量累积作用导致合成的部分金刚石停止生长后表面出现了碳化作用。而当触媒含量升高到50%和60%时，合成棒料在高压下被压缩程度减小，此时的压力温度值匹配较好，因此合成的金刚石晶型完整，优质金刚石单晶的比例较高。当触媒比例进一步升高，升至70%时，由于棒料中金属粉末的成分占的比重过高，设备升至高压后传导至腔体内时压力损耗很小，因此实际合成压力最接近设定压力，此时的合成压力相对于相同加热功率的腔体来讲就处于过剩压过高的状态，而过高的过剩压导致的腔体内棒料边缘成核密度过高，部分晶体出现粘连形成多晶或晶体周边的石墨碳源被耗尽，这一结果导致棒料边缘过硬，压力难于传至棒料中心位置，即棒料中出现了较大的压力梯度，而棒料中心又恰好是容易出现热累积的区域。因此对处于棒料边缘内合成出的大量金刚石单晶来讲，在实验后期仍处于一个高温的区域，最终出现了晶体表面的碳化现象。所以在设定的合成压力、温度及生长时间条件下，最适宜的石墨触媒添加比为4：6。

3 结论

在国产JHY-Ⅲ型六面顶液压机上研究了合成棒料中不同触媒含量对合成金刚石的影响，得到了最佳石墨触媒比为4：6的重要结论。

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李春杰（1963—），男，长春师范大学教授，硕士生导师，现任教务处处长。主要从事凝聚态物理相关的教学及应用研究。