專利名稱：：金剛石生長(zhǎng)的制作方法發(fā)明的背景本發(fā)明是關(guān)于在高溫、高壓條件下金剛石的生長(zhǎng)。在高溫和高壓下合成晶體特別是金剛石的方法已很成熟。使用了二種主要的方法，都是來(lái)自溶液的方法，即溫度梯度法和同素異形變化法。溫度梯度法中，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是過(guò)飽和，這是由原始物質(zhì)和生長(zhǎng)晶體在溶解度上存在差異，結(jié)果導(dǎo)致兩者間產(chǎn)生溫度差異。在同素異形變化法中，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是過(guò)飽和，這是由于原始物質(zhì)和生長(zhǎng)晶體在溶解度上的差異，結(jié)果導(dǎo)致兩者間的同素異形(或多形體)的差異。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，使金剛石晶體生長(zhǎng)的方法包括如下步驟提供金剛石晶源；提供許多個(gè)由金剛石晶體限定的生長(zhǎng)中心，晶源的量一般大于生長(zhǎng)中心的量；使源和生長(zhǎng)中心與溶劑/催化劑接觸產(chǎn)生反應(yīng)物料；使反應(yīng)物料處于適宜晶體生長(zhǎng)的高溫高壓條件下，依靠晶源和生長(zhǎng)中心之間顆粒大小差異的選擇至少一部分，最好是大部分地使溶劑/催化劑中的碳達(dá)到所需要的飽和；從反應(yīng)物料中回收金剛石晶體。本發(fā)明是利用源晶體和生長(zhǎng)中心之間顆粒大小的差異，至少是部分地產(chǎn)生的過(guò)飽和使金剛石晶體生長(zhǎng)?？梢岳妙w粒大小范圍的上限和下限處的顆粒來(lái)提供作晶源和生長(zhǎng)中心。因此，假使這樣的話，將利用顆粒大小范圍的上限處的晶體提供為生長(zhǎng)中心，而利用顆粒大小范圍的下限處的提供為晶源。晶體的量，即晶體數(shù)，處于其范圍的下限的晶體數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處于其范圍的上限處的晶體數(shù)。晶源要小于生長(zhǎng)中心。因此，晶源的大小取決于生長(zhǎng)中心的大小。已發(fā)現(xiàn)如果晶源體尺寸小于20微米，一般小于15微米的話，可獲得好的金剛石生長(zhǎng)。也可以利用從晶源中分離出來(lái)的晶種和不同于晶源的晶種來(lái)提供生長(zhǎng)中心。這種晶種一般顯著大于晶源。本發(fā)明的這種形式實(shí)例是利用小于10微米的顆粒作為晶源顆粒，具有尺寸顯著大于10微米的晶種作為生長(zhǎng)中心。例如，晶種可以大于40微米。而晶源的量又總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶種的量。已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明方法生產(chǎn)的大部分金剛石晶體，其中至少40％、典型地至少80％、一般基本上是全部物料，是由合成雙晶金剛石所組成。這種雙晶金剛石包括接觸雙晶、八面體雙晶，包括多和單八面體雙晶、聚片雙晶和星式雙晶?？缮a(chǎn)各種形狀的雙晶金剛石，包括塊狀的、立方體狀的、片狀的和柱狀的。對(duì)于片狀和柱狀的金剛石，晶體具有很大的縱橫比，即，最長(zhǎng)尺寸與最短尺寸之比相當(dāng)大。認(rèn)為大部分具有這種性質(zhì)的雙晶金剛石都是新的，這就形成了本發(fā)明的另一方面。照片簡(jiǎn)述圖1～10的照片表示利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的雙晶金剛石晶體實(shí)例。實(shí)施方案的描述利用金剛石晶體自身可提供生長(zhǎng)中心晶體。也可以利用除金剛石外的其它顆粒來(lái)提供生長(zhǎng)中心，像碳化硅，或者利用除包覆或涂敷金剛石外的其它物料芯的顆粒來(lái)提供生長(zhǎng)中心。適用于金剛石的溶劑/催化劑的實(shí)例包括過(guò)渡金屬如鐵、鈷、鎳、錳和含有這些金屬中任何一種的合金、不銹鋼、超級(jí)合金(例如基于鈷、鎳和鐵)、青銅和黃銅如鎳/磷、鎳/鉻/磷和鎳/鈀。其他適于金剛石合成的溶劑/催化劑是各種元素、各種化合物和不含有過(guò)渡金屬的合金，例如銅、銅/鋁和磷、以及非金屬材料或它們的混合物，像堿金屬、堿土金屬氫氧化物、碳酸鹽和硫酸鹽。晶源可以是合成金剛石，包括聚晶金剛石，它是利用通常的高溫/高壓法生產(chǎn)的。源顆粒也可以是天然金剛石(包括黑金剛石)、激波金剛石或CVD金剛石，即利用化學(xué)蒸汽沉積法生產(chǎn)的金剛石。生長(zhǎng)中心金剛石可以是相似型或不同型的，當(dāng)然，除此之外它們?cè)诖笮∩峡偸谴笥谠唇饎偸?。晶種可具有發(fā)育良好的小平面，并缺乏雙晶面，例如立方體的、八面體的和立方八面體的，或者它們可以含有雙晶面。晶種可以是無(wú)規(guī)則的、圓狀的或球狀的。晶種可以是例如用溶劑/催化劑涂敷或包覆的。本方法中使用的高溫高壓條件是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。合成條件可以是金剛石在熱力學(xué)上穩(wěn)定的那些條件。這些條件也是本
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)公知的。通常高溫是在1200～1500℃范圍內(nèi)，高壓是在50～70千巴(5～7GPa)范圍內(nèi)。這種高溫高壓條件保持一段時(shí)間，足以使晶體發(fā)生生長(zhǎng)。時(shí)間一般大于15分鐘，可長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)或更長(zhǎng)。也可以在超出金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域之外的條件下產(chǎn)生長(zhǎng)金剛石生長(zhǎng)。如果奧斯特瓦爾德穩(wěn)定態(tài)規(guī)律控制著生長(zhǎng)過(guò)程，而不是奧斯特瓦爾德-沃爾莫耳規(guī)律的話，可以使用超出金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域之外的溫度和壓力條件(參看Bohr.RHaubnerandBLux，DiamondandRelatedMaterials(金剛石和有關(guān)材料)Volume4，Pages714-719，1995)-“根據(jù)奧斯特瓦爾德穩(wěn)定態(tài)規(guī)律，如果能量從具有幾個(gè)能態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)排出的話，該系統(tǒng)將不能直接達(dá)到穩(wěn)定的基態(tài)，而是逐漸通過(guò)所有的中間態(tài)。此外，根據(jù)奧斯特瓦爾德-沃爾莫耳規(guī)律，首先形成低密相(成核的)。此兩個(gè)規(guī)律似乎是相互矛盾的。但奧斯特瓦爾德-沃爾莫耳規(guī)律優(yōu)先于奧斯特瓦爾德規(guī)律?！痹诔鼋饎偸療崃W(xué)穩(wěn)定區(qū)域之外生長(zhǎng)金剛石晶體的情況中，例如，可通過(guò)壓力的應(yīng)用來(lái)抑制奧斯特瓦爾德-沃爾莫耳規(guī)律，因此使金剛石在預(yù)先存在的金剛石顆粒上生長(zhǎng)，只要石墨晶體基本上不存在。雖然恒溫和等壓條件對(duì)本發(fā)明實(shí)踐并不是必不可少的條件，但由于這個(gè)過(guò)程能很容易地控制，所以這種條件是優(yōu)選的條件。使晶源和生長(zhǎng)中心晶體與適宜的溶劑/催化劑接觸產(chǎn)生反應(yīng)物料。一般講，以一種特殊的形式使晶體與溶劑/催化劑混合。在溶劑/催化劑中必須有足夠產(chǎn)生碳飽和的晶源。晶源在溶劑/催化劑中溶液可以是固溶體形態(tài)或液體形態(tài)。在反應(yīng)物料中，晶源和生長(zhǎng)中心金剛石的含量一般至少為10(體積)％，一般小于80(體積)％，典型含量為30(體積)％。將反應(yīng)物料置于通常的高溫/高壓裝置的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，然后使所含成分經(jīng)受所需要的高溫高壓條件以獲得晶體生長(zhǎng)。源物料優(yōu)先溶解溶劑/催化劑中的較大生長(zhǎng)中心晶體。碳溶質(zhì)遷移到生長(zhǎng)中心，并在其上沉積或生長(zhǎng)。所產(chǎn)生的晶體將具有一種形態(tài)和形成雙晶的性質(zhì)，這取決于所使用的飽和-時(shí)間分布態(tài)。溫度、壓力條件和溶劑/催化劑的化學(xué)組成也影響到形態(tài)?？梢詫⒔Y(jié)晶作用和晶體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)劑如氮、硼或磷引入到反應(yīng)物料中以獲得特殊的目的產(chǎn)物。利用本
技術(shù)領(lǐng)域：
中所公知的方法如使用強(qiáng)無(wú)機(jī)酸溶解溶劑/催化劑的方法，可以完成從反應(yīng)物料中回收金剛石晶體。正如以上所談到的，本發(fā)明方法所生產(chǎn)的金剛石晶體，至少80％，一般基本上是全部由雙晶的金剛石組成。這與所用生長(zhǎng)中心金剛石的形狀無(wú)關(guān)。雙晶金剛石晶體料可應(yīng)用于各種用途中，如鋸、研磨、拋光、鉆孔、單點(diǎn)切屑、磨碎、抽絲和裝飾表面。當(dāng)雙晶金剛石晶體具有很高的縱橫比時(shí)，如片狀金剛石和柱狀金剛石，就可按工具的幾何形狀使晶體定位，并達(dá)到較好的鍵固定。例如，片狀晶體可沿工具移動(dòng)方向上的長(zhǎng)軸定位。柱狀顆?？沙虱h(huán)形鋸片定位。雙晶面的存在可以改變顆粒的特征。照片1～10是說(shuō)明利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的雙晶金剛石實(shí)例。圖1～7是電子掃描顯微照相，圖8～10是光學(xué)照相，放大30～150倍。圖1照片是星式雙晶晶體，聚片雙晶晶體和合成八面體雙晶晶體。圖2、3、4和6是從不同角度拍照的星式雙晶金剛石晶體照片。星式雙晶是一種包含非平行{111}雙晶面的環(huán)狀雙晶形式。一些{111}雙晶面從圖2、3和6中可得到驗(yàn)證。圖5說(shuō)明沿著{111}面形成接觸雙晶的立方晶體。在照片頂部的角是立方體的角-三邊相互垂直交會(huì)在一點(diǎn)。{111}雙晶面得以驗(yàn)證。圖7說(shuō)明是三個(gè)共生雙晶晶體的聚集體。兩個(gè)晶體(一個(gè)幾乎垂直和最大的-幾乎水平)顯示出是聚片雙晶，它含有一系列平行構(gòu)成面。指向觀察者的晶體顯示出是星式雙晶。在觀察到的端部上，晶體好象呈現(xiàn)出一個(gè)五邊形的星。圖8和9是從不同角度拍照的合成八面體雙晶片的照片。觀察到具有很高的縱橫比。圖10是一個(gè)拉長(zhǎng)了的星式雙晶金剛石晶體照片，觀察到具有很高的縱橫比。利用如下實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1使用以上描述的反應(yīng)容器生產(chǎn)許多的金剛石晶體。一種混合物是由以下三部分構(gòu)成，即(a)利用粉碎粗糙的合成物料產(chǎn)生的約75微米的0.01g金剛石種粒；(b)利用粉碎粗糙的合成物料產(chǎn)生的小于0.5微米的50g源金剛石粉末；和(c)285g鈷鐵(65Co，35Fe)溶劑/催化劑。將混合物置于反應(yīng)容器內(nèi)，并將反應(yīng)條件升高到約55千巴和約1380℃溫度。這些條件保持21小時(shí)。產(chǎn)生的晶體主要是雙晶晶體。利用通常的回收技術(shù)回收到的晶體總量為31g。其中71.5％是大于70US目(210微米)。實(shí)施例2利用上述描述的反應(yīng)容器再生產(chǎn)許多金剛石晶體。一種混合物由以下三部分構(gòu)成，即(a)由粉碎粗糙的合成物生產(chǎn)的，最大尺寸8微米和50％物料小于1微米的50g金剛石粉末；和(b)284.6g鈷鐵(65Co，35Fe)溶劑/催化劑?；旌衔镏胁缓蟹N晶。將該混合物置于反應(yīng)容器內(nèi)，并將反應(yīng)條件提升到約55千巴壓力和約1370℃溫度保持此條件210分鐘。生長(zhǎng)的晶體主要是雙晶晶體，大小范圍為80US目(177微米)～40US目(420微米)。在實(shí)施例1和2中，使用鈷鐵溶劑/催化劑。利用不同的催化劑/溶劑生產(chǎn)雙晶金剛石晶體。這些實(shí)施例，和所用的條件都列在下面的表中。在實(shí)施例3～17中的每個(gè)實(shí)施例中。金剛石晶源和晶種是合成金剛石。利用實(shí)施例18～25進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，其中源金剛石顆粒和生長(zhǎng)中心金剛石顆粒是由顆粒尺寸范圍的上限和下限處的顆粒構(gòu)成。生產(chǎn)了雙晶金剛石晶體。實(shí)施例中使用的條件列于下表中，在這些實(shí)施例中和在實(shí)施例26～32中使用了鐵鎳或鈷鐵催化劑/溶劑。</tables>實(shí)施例26～32說(shuō)明利用不同類型和大小的晶源和晶種生產(chǎn)的雙晶金剛石晶體。所用條件和獲得的結(jié)果列于下表。</tables>權(quán)利要求1.一種生長(zhǎng)金剛石晶體的方法，它包括如下步驟提供金剛石晶體源；提供許多由金剛石晶體限定的生長(zhǎng)中心；使源和生長(zhǎng)中心與溶劑/催化劑接觸，產(chǎn)生反應(yīng)物料；使反應(yīng)物料處于適宜晶體生長(zhǎng)的高溫高壓條件下，依靠晶源和生長(zhǎng)中心晶體之間顆粒大小差異的選擇，至少是部分地獲得溶劑/催化劑中所需要的碳飽和；和從反應(yīng)物料中回收金剛石晶體。2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是主要依靠晶源和生長(zhǎng)中心之間顆粒尺寸差異的選擇，來(lái)獲得溶劑/催化劑中所需碳飽和。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征是依靠顆粒大小范圍的上限和下限處的顆粒提供晶源和生長(zhǎng)中心。4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是利用晶種提供生長(zhǎng)中心。5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是晶源的量要大于生長(zhǎng)中心晶體的量。6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是晶源的大小要小于20微米。7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是溶劑/催化劑含有過(guò)渡金屬。8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征是過(guò)渡金屬選自鐵、鈷、鎳、錳和含有這些金屬中之一的合金。9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是高溫和高壓條件是金剛石在熱力學(xué)上穩(wěn)定的那些條件。10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征是高溫是在1200℃～1500℃范圍內(nèi)，高壓是在50～70千巴(5～7GPa)的范圍內(nèi)。11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是高溫和高壓條件至少保持15分鐘。12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是以顆粒形式將源金剛石和生長(zhǎng)中心金剛石與溶劑/催化劑混合以制造反應(yīng)物料。13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是在反應(yīng)物料中源金剛石和生長(zhǎng)中心金剛石的含量至少為10(體積)％。14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征是在反應(yīng)物料中源金剛石和生長(zhǎng)中心金剛石的含量小于80(體積)％。15.一種金剛石晶體物料，其中至少40％是由合成雙晶金剛石組成。16.根據(jù)權(quán)利要求15的金剛石晶體物料，其特征是基本上全部物料是由雙晶金剛石組成。17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的金剛石晶體物料，其特征是雙晶金剛石包括接觸雙晶、八面體雙晶、聚片雙晶和星式雙晶。18.根據(jù)權(quán)利要求15～17中任一項(xiàng)的金剛石晶體物料，其特征是雙晶金剛石包括塊狀或立方體狀、片狀和柱狀的金剛石。19.根據(jù)權(quán)利要求15～18中任一項(xiàng)的金剛石晶體物料，它基本上包括圖1～10任何照片中所示形狀的雙晶金剛石。全文摘要提供一種生長(zhǎng)金剛石晶體的方法,它包括:提供金剛石晶體源;提供許多由金剛石晶體限定的生長(zhǎng)中心;以顆粒形式將源和生長(zhǎng)中心金剛石與溶劑/催化劑混合以形成反應(yīng)物料;使反應(yīng)物料處于適宜晶體生長(zhǎng)的高溫高壓條件下;回收金剛石晶體。該方法的特征是依靠晶源和生長(zhǎng)中心晶體之間顆粒大小差異的選擇,達(dá)到至少部分地,最好是全部地溶劑/催化劑中所需要的碳飽和。利用本方法生產(chǎn)的金剛石晶體物料具有很高濃度的雙晶金剛石。文檔編號(hào)C01B31/06GK1260734SQ9880621公開(kāi)日2000年7月19日申請(qǐng)日期1998年4月16日優(yōu)先權(quán)日1997年4月17日發(fā)明者G·J·達(dá)維斯,R·A·查普曼,A·斯特瓦特,L·K·赫德格斯申請(qǐng)人:德比爾斯工業(yè)鉆石部門有限公司