高溫高壓法生長金剛石單晶

1、高高溫高壓法溫高壓法 高溫超高壓法高溫超高壓法合成寶石是指利用高溫超高壓設(shè)備，使粉末樣品在高溫超高壓條件下，產(chǎn)生相變、熔融進(jìn)而結(jié)晶生長合成寶石的方法。 高溫超高壓：指溫度500 壓力1.0109Pa 條件的獲得：靜壓法（油壓機(jī)）；動(dòng)力法（爆炸法或核爆炸）。鉆石的合成原理鉆石的合成原理 碳的同質(zhì)多像變體鉆石和石墨由相圖可知：常溫常常溫常壓壓下石墨是碳的穩(wěn)定結(jié)晶形式，而鉆石處亞穩(wěn)定態(tài)。破壞鉆石的C-C鍵鍵需要很高能量，因此，鉆石在常溫常壓下不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。高溫高壓高溫高壓下鉆石是穩(wěn)定的，而石墨中的碳原子會(huì)重新排列形成鉆石。晶種觸媒法合成金剛石的原理晶種觸媒法合成金剛石的原理 以石墨、金剛石粉或

2、石墨-金剛石粉的混合物為碳源，在一定溫度梯度下，將熔化于觸媒金屬（鐵鎳）中的碳輸送到高壓反應(yīng)腔金剛石晶種上，碳從六方結(jié)構(gòu)的石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu)金剛石，并以晶層形式沉積于晶種上，從而進(jìn)行金剛石單晶體的生長。 無觸媒的條件轉(zhuǎn)變條件：1.261010Pa和2700，制造生產(chǎn)設(shè) 備相當(dāng)難；石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的接觸面小，轉(zhuǎn)化率低。 有觸媒的條件使轉(zhuǎn)變溫度和壓力降低，如鎳等，轉(zhuǎn)變條件： 4.01091.01010pa和1200左右； 熔融的觸媒增大與石墨的接觸面，出現(xiàn)大面積轉(zhuǎn)變 周期表第八族許多元素均可用作觸媒，如鎳（3d84S2 ）缺d電子，能吸引石墨層中相對應(yīng)的2S22P2電子，使其集中到垂直方向而成鍵，

3、故促使石墨層扭曲變成金剛石結(jié)構(gòu)。 金屬觸媒在合成金剛石時(shí)起著溶劑和催化劑的作用。它既能溶解碳又能激發(fā)石墨向金剛石轉(zhuǎn)變，起到了催化作用。 從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度，高溫超高壓條件下石墨向金剛石的轉(zhuǎn)化過程可分為三個(gè)階段：（1）熔觸金屬和石墨互相滲透、擴(kuò)散和溶解金屬和石墨互相滲透、擴(kuò)散和溶解，形成了類似石墨結(jié)構(gòu)的富碳擴(kuò)散層富碳擴(kuò)散層；（2）石墨逐漸向熔融金屬內(nèi)擴(kuò)散向熔融金屬內(nèi)擴(kuò)散，由于過渡金屬的d電子與碳原子的p電子間的相互作用相互作用，使碳原子從SP2型轉(zhuǎn)變?yōu)镾P3雜化型狀態(tài)，進(jìn)而形成金剛石結(jié)晶基元結(jié)晶基元。金屬溶液起媒介作用媒介作用，把金剛石結(jié)晶基元輸送至生長晶面附近；（3）聚集在生長晶面附近的金剛石結(jié)

4、晶基元在晶面上疊合疊合，進(jìn)入晶格進(jìn)入晶格位，使金剛石晶體生長晶體生長。 晶種觸媒法合成金剛石的設(shè)備晶種觸媒法合成金剛石的設(shè)備油壓機(jī)：油壓機(jī)：種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣；是靜態(tài)超高壓設(shè)備的核心部分核心部分，作用是將液壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)力變成對高壓腔中被壓物質(zhì)的靜態(tài)超高壓。 高壓容器：高壓容器：寶石合成的場所合成的場所，要求材質(zhì)能承受壓強(qiáng)4.9109Pa，良好的密封、保壓、隔熱、絕緣性能，提供較大的合成腔體及均壓區(qū)域。加熱系統(tǒng)：石墨加熱器，加熱系統(tǒng)：石墨加熱器，穩(wěn)定性好，精確控壓控溫提高合成效果。晶種觸媒法合成金剛石的工藝晶種觸媒法合成金剛石的工藝 腔體中部（熱區(qū)）放置高純度的石墨碳源，用鎳鐵（1：1）合金為

5、觸媒，金剛石晶種安放在下端冷區(qū)，使100（接種面）面對著金屬觸媒。 溫壓條件：最高達(dá)5.5109Pa左右，1900-1400。 原料區(qū)石墨溶解于觸媒中，開始向金剛石轉(zhuǎn)變。 在溫度梯度（3050）下，熱區(qū)中的碳向晶種方向擴(kuò)散擴(kuò)散（由于高溫端的金剛石溶解度大于低溫端的溶解度，由溫度差所產(chǎn)生的溶解度差則成為碳素由高溫端向低溫端擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力）部分碳便沉積在晶體上，從而使晶體長大?？刂魄粌?nèi)溫度，反應(yīng)腔高溫區(qū)約1450 ，溫度差3050，實(shí)際溫度隨加熱功率和散熱條件而變，實(shí)驗(yàn)用壓力控制在6.0109Pa左右，生長時(shí)間為2252小時(shí)。合成金剛石的后處理合成金剛石的后處理 合成金剛石是通過觸媒的作用，在高溫超

6、高壓條件下由石墨轉(zhuǎn)變而成，反應(yīng)后產(chǎn)物除金剛石金剛石外，還有石墨、金屬石墨、金屬（或合金合金）及其化合物，還混有傳壓介質(zhì)葉蠟石葉蠟石。它們緊密交混，把金剛石嚴(yán)實(shí)包裹。要獲得純凈的金剛石，須清除雜質(zhì)，即分離處理。 金剛石金剛石穩(wěn)定性高，不與酸、堿、強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，不電解；石墨石墨化學(xué)穩(wěn)定性較金剛石弱，易被強(qiáng)氧化劑氧化；金屬或金屬或合金合金易與酸反應(yīng)，易電解；葉蠟石葉蠟石能與堿反應(yīng)。根據(jù)這些特點(diǎn)進(jìn)行分離。除金屬（或合金）除金屬（或合金）（1 1）硝酸浸泡法）硝酸浸泡法 將合成的混合體砸碎，浸泡在30%的稀硝酸溶液中。幾天后金屬或合金就自然被腐蝕掉。例如觸媒中的金屬鎳與硝酸反應(yīng)，生成硝酸鹽而進(jìn)入溶液：N

7、i2HNO3Ni（NO3）2H2（2 2）王水處理法王水處理法 王水是按鹽酸：硝酸=3：1的體積比配置成。將合成后的混合體與王水一起裝在燒杯或耐酸容器中加熱，在較短時(shí)間內(nèi)，可把包裹金剛石的金屬或合金全部溶解掉，成為鹽類沉淀，其反應(yīng)如下3Ni2HNO36HCI3NiC122NO+4H2O FeHNO33HC1FeC13NO2H2O（3 3）電解法電解法 電解條件為NiSO4等溶液，反應(yīng)使陽極處的Ni經(jīng)電解溶液跑到陰極，使金屬或合金不斷地從合成物的混合體中解離出來。反應(yīng)原理為：消除石墨的方法很多（各種物理的和化學(xué)的），常用有：（1 1）硝酸一硫酸法）硝酸一硫酸法 將混和物置于一定配比的硝酸和硫酸溶

8、液中加熱，利用非金剛石碳在280溫度下能與硫酸、硝酸反應(yīng)，生成二氧化碳?xì)怏w和易溶于水的物質(zhì)的性質(zhì)，達(dá)到分離非金剛石碳、提純金剛石的目的。其反應(yīng)式為： C2H2SO4=2SO22H2OCO2 O2SO3 3C4HNO3=4NO2H2O3CO2 O2NO2（2 2）磁選法磁選法 清除金屬（或合金）后的物料，除金剛石外剩下是石墨和少量葉蠟石。經(jīng)烘干、研碎后進(jìn)行篩分，把篩分好的不同粒度的金剛石置于一般選礦用的磁選機(jī)上，將金剛石和石墨分離開，選別效率可達(dá)95%以上。 除石墨除石墨除葉蠟石除葉蠟石 金屬和石墨被清除后，剩下僅有金剛石和葉蠟石，目前最常用的除葉蠟石方法是堿除法。 葉蠟石是一種組成為Al2（Si4O10）（OH）2的層狀硅酸鹽，氫氧化鈉與葉蠟石加熱后反應(yīng)生