非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人工合成金剛石領(lǐng)域中非金屬觸媒的應(yīng)用，具體為砸和/或碲在人工合成金剛石中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，是一種極限功能材料，廣泛應(yīng)用于石油、機(jī)械、石材、電子、化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域，在國防、醫(yī)療、科技、裝飾等領(lǐng)域同樣也扮演著重要角色。在人工合成金剛石中，常以石墨作為碳源，但是由石墨結(jié)構(gòu)碳轉(zhuǎn)化為金剛石結(jié)構(gòu)碳，需要異常高的溫度和壓力(通常溫度> 2000°C，壓力> 12GPa)，成本極高，不利于工業(yè)生產(chǎn)。目前在高溫、高壓條件下利用觸媒催化反應(yīng)(即靜壓觸媒法)是人工合成金剛石的主要方法。其中觸媒包括？6、祖、仙、了&、(:0、(>、111等過渡金屬，以及Fe、Mn、N1、Ti基合金體系等。
[0003]現(xiàn)階段，人工合成金剛石已取得巨大成功，但是也存在一些問題，比如產(chǎn)品在產(chǎn)率、晶形、包裹體、色澤、強(qiáng)度等物性方面存在許多不足，并隨著科技進(jìn)步及對金剛石特殊性能需求的進(jìn)一步提高而被放大，無法滿足要求較為嚴(yán)格、苛刻領(lǐng)域的市場需求。其次，金剛石合成中所用觸媒多為金屬及其合金，缺乏對觸媒作用下碳元素相變過程及動力學(xué)機(jī)理的深入認(rèn)知，進(jìn)一步限制用多樣性觸媒合成特種金剛石的開發(fā)和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用。
[0005]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，以石墨為碳源，非金屬觸媒采用砸(Se)和/或碲(Te)。
[0007]所述石墨采用高純石墨粉或石墨棒。非金屬觸媒優(yōu)選Se和/或Te晶體粉末，純度>99.9%，粒度為20?700目。石墨與非金屬觸媒的質(zhì)量比為1: (I?10)。石墨與非金屬觸媒的組合方式(組裝工藝)有分層接觸、粉末混合、觸媒填心三種。
[0008]在合成金剛石反應(yīng)中，所用設(shè)備為任意一種六含八(6/8) 二級增壓大腔體高壓裝置。傳壓介質(zhì)采用經(jīng)高溫?zé)Y(jié)處理的氧化鎂或葉臘石。加熱材料采用石墨或Ta、Mo、Ti等高熔點金屬中的任一種。裝填成型前后，需要在高真空下預(yù)處理反應(yīng)混合物或氫氣還原處理。再將預(yù)處理的反應(yīng)混合物在碳元素的金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行合成，工藝條件為:壓力7?lOGPa，溫度1500?1900°C，保溫時間10?120分鐘。
[0009]非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0010]I)以石墨為碳源，將壓致成片式的石墨和觸媒填入金屬鉬杯內(nèi)組裝成型，得組裝塊；
[0011]2)將步驟I)所得組裝塊先在氫氣氛圍下還原處理I?2h，再真空干燥I?2h進(jìn)行預(yù)處理后，在碳元素的金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行合成，得合成物；
[0012]3)將步驟2)所得合成物置于混合酸中進(jìn)行加熱處理24?48h后，清洗，即得。
[0013]步驟3)中，所述的混合酸為硝酸、硫酸、鹽酸、氫氟酸中的任意兩種的混合物。所述硝酸、硫酸、鹽酸或氫氟酸的質(zhì)量濃度為10%?30%。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]本發(fā)明利用無機(jī)非金屬元素Se和/或Te合成金剛石，在高溫高壓下，觸媒Se、Te晶體已成熔融狀態(tài)，所以金剛石在液相各向同性環(huán)境下生長，晶型完整、粒度分布均勻。特殊的合成環(huán)境條件使得金剛石的平均抗壓強(qiáng)度比普通工業(yè)合成金剛石大幅提升。金剛石晶體中含有的微量觸媒元素Se、Te，它們既是半導(dǎo)體材料也是多電子系統(tǒng)，可以通過摻雜實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體特性，成為一種新型耐高溫半導(dǎo)體材料。
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例1的酸處理前的金剛石電鏡照片；
[0017]圖2為實施例4的酸處理前的金剛石電鏡照片；
[0018]圖3為實施例5的酸處理后的金剛石電鏡照片。
【具體實施方式】
[0019]下述實施例僅對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0020]實施例1
[0021]本實施例中非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:合成塊以半燒結(jié)氧化鎂為傳壓介質(zhì)，石墨爐為加熱體，用高純石墨粉作為碳源和Se晶體粉末作為非金屬觸媒，Se晶體粉末的純度> 99.9%，粒度為80目，高純石墨粉與Se晶體粉末的質(zhì)量比為1:1，采用分層接觸組裝工藝，進(jìn)行還原和真空處理后，將合成塊放入六含八(6/8) 二級增加大腔體高壓裝置中，在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)壓力9.6GPa、溫度1850°C條件下保溫60分鐘合成。圖1為該實施例的酸處理前的金剛石電鏡照片。
[0022]本實施例的非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0023]I)以高純石墨粉為碳源，將壓致成片式的石墨和觸媒填入金屬鉬杯內(nèi)組裝成型，得組裝塊；
[0024]2)將步驟I)所得組裝塊先在氫氣氛圍下還原處理lh，再真空干燥Ih進(jìn)行預(yù)處理，除去粘附雜質(zhì)氣體及揮發(fā)性原子，然后在碳元素的金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行合成，得合成物；
[0025]3)將步驟2)所得合成物置于混合酸(質(zhì)量濃度為10%的硝酸和質(zhì)量濃度為20%的硫酸的混合物)中進(jìn)行加熱處理24h，除去金屬、觸媒、石墨等殘余物，清洗，即得高純金剛石微粉。
[0026]實施例2
[0027]本實施例中非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:合成塊以半燒結(jié)氧化鎂為傳壓介質(zhì)，石墨爐為加熱體，高純石墨粉為碳源和Se晶體粉末為非金屬觸媒，Se晶體粉末的純度〉99.9%，粒度為200目，石墨與Se晶體粉末的質(zhì)量比為1:2，采用粉末混合組裝，進(jìn)行還原和真空處理后，將合成塊放入六含八(6/8) 二級增加大腔體高壓裝置中，在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)壓力9.6GPa、溫度1900°C條件下保溫60分鐘合成。
[0028]本實施例的非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0029]I)以高純石墨粉為碳源，將壓致成片式的石墨和觸媒填入金屬鉬杯內(nèi)組裝成型，得組裝塊；
[0030]2)將步驟I)所得組裝塊先在氫氣氛圍下還原處理2h，再真空干燥2h進(jìn)行預(yù)處理，除去粘附雜質(zhì)氣體及揮發(fā)性原子，然后在碳元素的金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行合成，得合成物；
[0031]3)將步驟2)所得合成物置于混合酸(質(zhì)量濃度為20%的硝酸和質(zhì)量濃度為10%的硫酸的混合物)中進(jìn)行加熱處理48h，除去金屬、觸媒、石墨等殘余物，清洗，即得高純金剛石微粉。
[0032]實施例3
[0033]本實施例中非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:合成塊以葉臘石為傳壓介質(zhì)，石墨爐為加熱體，用高純石墨粉作為碳源和Se晶體粉末作為非金屬觸媒，Se晶體粉末的純度> 99.9%，粒度為300目，高純石墨粉與Se晶體粉末的質(zhì)量比為1:3，采用粉末混合組裝，進(jìn)行還原和真空處理后，將合成塊放入六含八(6/8) 二級增加大腔體高壓裝置中，在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)壓力9GPa、溫度1900°C條件下保溫120分鐘合成。
[0034]本實施例的非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:
[0035]I)以高純石墨粉為碳源，將壓致成片式的石墨和觸媒填入金屬鉬杯內(nèi)組裝成型，得組裝塊；
[0036]2)將步驟I)所得組裝塊先在氫氣氛圍下還原處理lh，再真空干燥2h進(jìn)行預(yù)處理，除去粘附雜質(zhì)氣體及揮發(fā)性原子，然后在碳元素的金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行合成，得合成物；
[0037]3)將步驟2)所得合成物置于混合酸(質(zhì)量濃度為30%的硝酸和質(zhì)量濃度為30%的硫酸的混合物)中進(jìn)行加熱處理30h，除去金屬、觸媒、石墨等殘余物，清洗，即得高純金剛石微粉。
[0038]實施例4
[0039]本實施例中非金屬觸媒在人工合成金剛石中的應(yīng)用，包括以下步驟:合成塊以葉臘石為傳壓介質(zhì)，石墨爐為加熱體，用高純石墨粉作為碳源和Te晶體粉末作為非金屬觸媒，Te晶體粉末的純度> 99.9%，粒度為80目，高純石墨粉與Te晶體粉末的質(zhì)量比為1:1，采用分層接觸組裝工藝，進(jìn)行還原和真空處理后，將合成塊放入六含八(6/8) 二級增加大腔體高壓裝置中，在金剛石熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)壓力9.6GPa、溫度1800°C條件下保溫30分鐘合成。圖2為該實施例的酸處理前的金剛石電鏡照片。
[0040]本實施例的非金