專利名稱：用碳化硅與金屬合成金剛石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金剛石合成領(lǐng)域，涉及一種合成金剛石的方法。
工業(yè)上合成金剛石的傳統(tǒng)方法是以石墨為碳源，以Fe、Co、Ni及其合金為觸媒，采用旁熱式或直熱式粉末混合或積層接觸工藝，壓力為4.8～6.0GPa，溫度為1300～1550℃，保溫時(shí)間為3～20分鐘。此種方法雖然能使人工合成金剛石工業(yè)化生產(chǎn)，但存在以下缺點(diǎn)①所合成的金剛石晶形不對(duì)稱、不完整，等積形晶粒所占比例較低，連晶較多，晶體內(nèi)包裹體不易避免;②粒度不均勻(分布分散)，最好的工藝條件下，目標(biāo)粒度都低于60%;③金剛石晶粒的平均抗壓強(qiáng)度較低(如100#金剛石的最高平均抗壓強(qiáng)度低于20kg)。
本發(fā)明的發(fā)明人洪時(shí)明和日本的M·WAKATSUKI在《JOURNALOF MATERIALS SCIENCE LETTERS〔12(1993)283～285〕》中共同發(fā)表了“SiC-CO體系在高溫高壓下形成金剛石的論文(Diamond formation from the SiC-Cosystem under high pressure and high tempe-rature)”，該文報(bào)導(dǎo)了SiC與CO在5.5GPa壓力和1470～1550℃高溫下保溫1小時(shí)后SiC分解成Si與C，其中Si溶解在CO中，C游離析出形成金剛石。本發(fā)明的發(fā)明人洪時(shí)明與日本的Wei Li，Xiaopeng Jia和Masao Wakatsuki在《Diamond and Related Materials〔2(1993)508-511〕》中共同發(fā)表了“碳化硅和金屬體系形成金剛石(Diamond formation from a system of SiC and a metal)”的論文，該文報(bào)導(dǎo)了SiC加CO在5.5GPa壓力和1430～1550℃高溫下保持30分鐘～1小時(shí)，SiC加Fe55Ni29CO16(KOV合金)在5.5GPa壓力和1430℃高溫下保持1小時(shí)后，SiC分解成SiC，Si溶于金屬，C游離析出形成金剛石。上述論文提供的方法所合成的金剛石晶形整齊、粒度均勻、包裹體少、透明性好、抗壓強(qiáng)度相對(duì)于傳統(tǒng)的方法高，為人工合成高質(zhì)量的金剛石開創(chuàng)了一種新方法，但由于保溫時(shí)間太長，難于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適于工業(yè)化生產(chǎn)的用SiC與金屬合成金剛石的方法，以便生產(chǎn)出高質(zhì)量的金剛石。
本發(fā)明是在上述兩篇論文所提供的SiC加CO或Fe55Ni29CO16合成金剛石方法的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步研究，為了適于工業(yè)化生產(chǎn)，以減少保溫時(shí)間為目的，拓寬金屬觸媒為方向開展研究，找出了多種金屬觸媒及相應(yīng)的工藝條件。本發(fā)明提供的方法以SiC為碳源，以純金屬Cr、Mn、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ta、CO基合金，Al基合金，Ti基合金，Mn基合金，Ni基合金，Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mn、Ni-Cr-Fe、Ni-CO-Fe，F(xiàn)e基合金Fe-Al，IB族元素(Cu、Ag、Au)與4A、5A、6A族元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W)和4A、5A、6A族元素的碳化物之間的二元合金(Cu-Nb、Mo-Ag、Cu-Zr、Cu-Ti、NbC-Cu、TiC-Cu、ZrC-Cu等)及上述合金基礎(chǔ)上添加其它元素形成的多元合金(TiC-Cu-Al、Ti-Cu-Mg、CO-Ni-Fe-Ti等)中的一種為觸媒，SiC與觸媒的比例為11～116，采用旁熱式粉末混合或積層接觸工藝，其工藝條件為壓力3～5.5GPa;溫度600°～1500℃;保溫時(shí)間5秒～20分鐘。
本發(fā)明提供的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1.金屬觸媒種類多，保溫時(shí)間短，為工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件;
2.金剛石的成核密度是根據(jù)SiC的粒度來控制，十分方便，易于操作，掌握;
3.金剛石的粒度可以通過SiC的重量來控制，易于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)粒度的金剛石晶粒合成，本發(fā)明合成出的金剛石粒度均勻，目標(biāo)粒度占75%以上;
4.金剛石是在三維溶媒中均勻成核，成核后晶粒在各個(gè)方向上生長條件一致，因此晶體生長對(duì)稱、完整，等積形晶體比例高，不易相互干擾形成連晶;
5.金剛石的平均抗壓強(qiáng)度比用石墨合成出的相同粒度的金剛石高出50%以上;
6.金剛石中含有微量的硅，具有由Si引起的特殊發(fā)光中心，容易通過摻雜實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體化，成為一種新型的發(fā)光材料和耐高溫半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明提供的方法，由以下的實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步說明。


圖1是旁熱式積層接觸工藝所用的傳壓介質(zhì)、加熱部件和原材料組裝示意圖;
圖2是粉末混合工藝所用的傳壓介質(zhì)、加熱部件和原材料組裝示意圖;
兩種組裝方式均可改變外層葉臘石的形狀、尺寸而適用于各種類型的高壓設(shè)備。
實(shí)施例1采用旁熱式粉末混合工藝，所用設(shè)備為六面頂壓機(jī)，介質(zhì)及原材料的裝放如圖2所示1-堵頭、2-導(dǎo)電片、4和9-NaCl+20wt%ZrO2為原料的絕緣片和絕緣管、5-導(dǎo)電鋼環(huán)、6-NaCl+20wt%Zro2為原料的傳壓介質(zhì)、7-石墨為原料的加熱碳管、10-葉臘石、11-SiC與金屬粉末混合體。本實(shí)施例用平均粒度100μ的β型SiC按15的重量比與200#的CO70Cu20Mn10合金粉混合，在5GPa壓力、1250℃溫度下保溫1分鐘后，用王水除去金屬，得到的金剛石粒度分布如下粒度＜40μ40～50μ50μ重量比7.4%82.1%10.5%其中等積形晶體占96%，沒有發(fā)現(xiàn)連晶。
實(shí)施例2采用旁熱式積層接觸工藝，所用設(shè)備為六面頂壓機(jī)，介質(zhì)及原材料的裝放如圖1所示1-堵頭、2-導(dǎo)電片、3-SiC、4和9-NaCl+MgO為原料的絕緣片和絕緣管、5-導(dǎo)熱鋼環(huán)、6-NaCl+MgO為原料的傳壓介質(zhì)、7-石墨為原料的加熱碳管、8-金屬片、10-葉臘石。本實(shí)施例用粒度3mm的β型SiC單晶按14重量比與Cu50Nb50二元合金片重迭組裝，在5GPa壓力、1400℃溫度下保溫5分鐘后，用王水除去金屬，得到平均粒度為110μ的金剛石，其中100～125μ的晶粒占76.3%，等積形晶體占91%，平均抗壓強(qiáng)度為32.6%kg。
實(shí)施例3采用旁熱式積層接觸工藝，所用設(shè)備為年輪式兩面頂壓機(jī)，介質(zhì)及原材料的裝放如圖1所示。本實(shí)施例用粒度為0.15μ的SiC微粉與Ni70Mn30合金片按1∶8重量比積層組裝，在5GPa壓力和1300℃溫度下保持30秒鐘后，得到平均粒度17μ的金剛石細(xì)粉，其中14～20μ粒度占96.0%，等積形晶粒占92%。
實(shí)施例4采用旁熱式粉末混合工藝，所用設(shè)備為六面頂壓機(jī)，介質(zhì)及原材料的裝放如圖2所示。用平均粒度100μ的SiC粉與純度為99.5%以上的Ni粉按1∶6重量比均勻混合后，在5.0GPa壓力和1450℃溫度下保持2分鐘后，得到平均粒度為34μ的金剛石晶粒，其中30～38μ的晶粒占88%，晶體完整，是六、八面體，等積形晶體占91%。無連晶、駭晶、透明度高。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，對(duì)于不同的金屬觸媒，SiC的粒度在0.10μm～20mm之間選擇。
權(quán)利要求
1.一種用碳化硅與金屬合成金剛石的方法，采用旁熱式粉末混合或積層接觸工藝，其特征在于①以SiC為碳源，以純金屬Cr、Mn、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ta，Co基合金，Al基合金，Ti基合金，Mn基合金，Ni基合金Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mn、Ni-Cr-Fe、Ni-Co-Fe，F(xiàn)e基合金Fe-Al，IB族元素(Cu、Ag、Au)與4A、5A、6A族元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W)和4A、5A、6A族元素的碳化物之間的二元合金及上述合金基礎(chǔ)上添加其它元素形成的多元合金中的一種為觸媒，SiC與觸媒的比例為1∶1～1∶16，②壓力為3～5.5GPa，③溫度為600°～1500℃，④保溫時(shí)間為5秒～20分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用碳化硅與金屬合成金剛石的方法，其特征在于sic的粒度為0.10μm～20mm。
全文摘要
一種用碳化硅與金屬合成金剛石的方法。以SiC為碳源；以純金屬Cr、Mn、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Ta、Co基合金，Al基合金，Ti基合金，Mn基合金，Ni基合金，F(xiàn)e基合金，IB族元素與4A、5A、6A族元素和4A、5A、6A族元素的碳化物之間的2元合金及上述合金基礎(chǔ)上添加其它元素形成的多元合金中的一種為觸媒；采用旁熱式粉末混合或積層接觸工藝，壓力為3～5.5GPa，溫度為600°～1500℃，保溫時(shí)間為5秒～20分鐘。
文檔編號(hào)B01J3/06GK1105903SQ94111620
公開日1995年8月2日 申請(qǐng)日期1994年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月24日
發(fā)明者洪時(shí)明 申請(qǐng)人:成都科技大學(xué)