本發(fā)明屬于人造金剛石，具體涉及一種針條狀單晶金剛石及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石具有高硬度、高熱導(dǎo)率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性優(yōu)異等特性，廣泛應(yīng)用于機械加工、石油鉆探、國防軍工等領(lǐng)域。金剛石分為天然金剛石和人造金剛石；天然金剛石在自然界中極其稀有，基本屬于不可再生資源，僅分布在全球少數(shù)區(qū)域；人造金剛石是近年來的超硬材料研究領(lǐng)域的熱點，其成本明顯低于天然金剛石，可用于摻雜，在某些物理性能上可以媲美甚至遠超于天然金剛石。

2、目前人造金剛石的合成，普遍采用的是溫度梯度法，利用觸媒的催化使得碳源在高溫高壓下轉(zhuǎn)化為金剛石；合成腔體內(nèi)必須具有合適的溫度差δt，金剛石生長的驅(qū)動力由溫度差提供。相比于傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法，溫度梯度法合成晶體的晶面不受限于籽晶晶面的大小。

3、公開號為cn114029002a的中國專利文獻公開了一種單晶金剛石的合成方法，該方法主要以活化的石墨粉體及金剛石晶種為混合碳源，先結(jié)合溶膠-凝膠法和原位還原法制備含有催化劑的燒結(jié)前驅(qū)體顆粒，再通過將該燒結(jié)前驅(qū)體顆粒置于形成溫度梯度的單晶金剛石合成裝置中進行高溫高壓處理合成大單晶金剛石。

4、公開號為cn110055585a的中國專利文獻公開了一種人工合成柱狀金剛石大單晶的方法，該發(fā)明中自腔體的高溫端向低溫端依次排列碳源、觸媒、籽晶和晶床，合成過程的參數(shù)為：合成壓力為5～6gpa，腔體中心溫度為1260～1360℃，合成時間為10～30h；使用的籽晶為長條形晶面，其長寬比大于1.5；合成得到的柱狀金剛石大單晶。

5、公開號為cn111778555a的中國專利文獻公開了一種低應(yīng)力金剛石及其制備方法，該方法包括以下步驟：s1：將金剛石梯度升溫至1100～2300℃，保溫10min～8h；s2：再將金剛石梯度降溫至400℃以下，采用真空高溫設(shè)備或等離子體設(shè)備完成低應(yīng)力金剛石的制備，其中，真空高溫設(shè)備選為真空管式爐設(shè)備，本底真空度降低小于10-9mbar，并且采用惰性氣體ar、he保護；等離子體設(shè)備為微波等離子體設(shè)備，本底真空度小于10-5mbar，再通入h2，或ar和h2。

6、公開號為cn110523346a的中國專利文獻公開了一種高溫高壓培育彩色金剛石的方法，該發(fā)明根據(jù)不同顏色金剛石的致色機理不同，在高溫高壓合成過程中，通過人為引入雜質(zhì)元素或制造金剛石內(nèi)部缺陷，從而獲得不同顏色的人工培育金剛石，具體的，將高純硼粉和高純石墨按一定比例混合，并采用真空還原燒結(jié)，有效的保證了硼元素在碳源中的均勻分布和降低了碳源中有害雜質(zhì)的含量。

7、但是，上述現(xiàn)有技術(shù)中，合成金剛石單晶都為規(guī)則晶體形狀，隨溫度梯度變化從八面體到立方體，還未有合成定向生長的具有高長徑比(≥4)的針條狀金剛石單晶的報道。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種針條狀單晶金剛石的制備方法，不使用晶種，步驟簡單高效，產(chǎn)出率高，制得的針條狀單晶金剛石的長徑比≥4，且長度可控。

2、具體采用的技術(shù)方案如下：

3、一種針條狀單晶金剛石的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將芯柱和合成塊組裝后得到組裝塊，芯柱包括兩端的隔熱材料和隔熱材料之間的碳源和觸媒；其中隔熱材料提供溫度梯度以保證晶體軸向生長；

5、(2)將組裝塊放入靜高壓設(shè)備中先加壓至≥5gpa，再升溫至≥1000℃，控制金剛石成核，保溫保壓進行金剛石的定向生長，生長時間≥30min；

6、(3)生長結(jié)束后，降溫降壓后取出試樣，去除剩余的碳源和觸媒，得到所述的針條狀單晶金剛石。

7、本發(fā)明的發(fā)明原理在于hpht調(diào)控溫度來控制碳源在與觸媒界面的自發(fā)形核，通過溫度梯度控制金剛石的定向生長。通過控制形核率和觸媒/金剛石生長面的定向推移速度來有效控制針條狀單晶金剛石的定向生長速度和長徑比。

8、所述的碳源為碳質(zhì)材料或含碳材料，碳質(zhì)材料包括但不限于碳棒、金剛石、石墨、碳纖維、碳納米管等，含碳材料包括但不限于石油焦、瀝青、煤焦油、植物炭等。

9、所述的觸媒為過渡金屬單質(zhì)或過渡金屬合金，所述的過渡金屬單質(zhì)為fe、ni或co等，所述的過渡金屬合金為鎳錳合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金或鐵鎳鈷合金等。

10、所述的隔熱材料選自氧化鋯、氧化鎂或氧化釤等低熱導(dǎo)材料。隔熱材料根據(jù)材料和高度進行設(shè)計組合與配比，提供一定的溫度梯度保證晶體軸向生長。

11、具體的，將碳源與觸媒分別壓制成片后組裝。

12、優(yōu)選的，芯柱中碳源和觸媒的高度比為0.2-20:1；每端隔熱材料與碳源和觸媒兩者的高度比為0.1～10:1。

13、優(yōu)選的，步驟(2)中，將組裝塊放入靜高壓設(shè)備中先加壓至5gpa～10gpa，再升溫至1000℃～2000℃。進一步優(yōu)選的，加壓時的升壓速率0.1～10gp/min，升溫時的升溫速率為1℃/min～1000℃/min。

14、優(yōu)選的，步驟(3)中，降溫時的降溫速率為1℃/min～6000℃/min，降壓時的降壓速率≤2gpa/min。

15、優(yōu)選的，步驟(3)中，去除碳源采用敲擊方法，去除觸媒采用酸洗處理方法，所述的酸洗處理法是將敲擊后的塊體放入5℃～200℃酸液中浸泡至觸媒完全脫落。

16、進一步優(yōu)選的，所述的酸液為硝酸溶液、鹽酸溶液、硫酸溶液中的至少一種。

17、本發(fā)明還提供了所述的針條狀單晶金剛石的制備方法制得的針條狀單晶金剛石，所述的針條狀單晶金剛石的長徑比≥4。

18、優(yōu)選的，所述的針條狀單晶金剛石的長徑比為4-30。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

20、(1)本發(fā)明在不使用晶種的前提下，通過控制芯柱組裝方式以及溫度差經(jīng)高溫高壓合成針條狀單晶金剛石。

21、(2)本發(fā)明獲得的針條狀單晶金剛石長徑比≥4，產(chǎn)出率高，長度可控，可通過控制生長時間、溫度場梯度及成核率來控制其長度和寬度，該針條狀單晶金剛石在醫(yī)學(xué)微型針、特種光學(xué)器件、微鉆器件等方面具有獨特潛在應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，所述的碳源為碳質(zhì)材料或含碳材料，碳質(zhì)材料包括碳棒、金剛石、石墨、碳纖維或碳納米管，含碳材料包括石油焦、瀝青、煤焦油或植物炭。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，所述的觸媒為過渡金屬單質(zhì)或過渡金屬合金，所述的過渡金屬單質(zhì)為fe、ni或co，所述的過渡金屬合金為鎳錳合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金或鐵鎳鈷合金。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，所述的隔熱材料包括氧化鋯、氧化鎂或氧化釤。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，將組裝塊放入靜高壓設(shè)備中先加壓至5gpa～10gpa，再升溫至1000℃～2000℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，去除碳源采用敲擊方法，去除觸媒采用酸洗處理方法，所述的酸洗處理法是將敲擊后的塊體放入5℃～200℃酸液中浸泡至觸媒完全脫落。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的針條狀單晶金剛石的制備方法，其特征在于，所述的酸液為硝酸溶液、鹽酸溶液、硫酸溶液中的至少一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的針條狀單晶金剛石的制備方法制得的針條狀單晶金剛石。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的針條狀單晶金剛石，其特征在于，所述的針條狀單晶金剛石的長徑比≥4。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種針條狀單晶金剛石及其制備方法，屬于人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域，該針條狀單晶金剛石的制備方法包括以下步驟：(1)將芯柱和合成塊組裝后得到組裝塊，芯柱包括兩端的隔熱材料和隔熱材料之間的碳源和觸媒；(2)將組裝塊放入靜高壓設(shè)備中先加壓至≥5GPa，再升溫至≥1000℃，控制金剛石成核，保溫保壓進行金剛石的定向生長，生長時間≥30min；(3)生長結(jié)束后，降溫降壓后取出試樣，去除剩余的碳源和觸媒，得到所述的針條狀單晶金剛石。本發(fā)明方法步驟簡單高效，且不使用晶種，制得的針條狀金剛石單晶長徑比≥4，產(chǎn)出率高。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧麗芬,郝敬林,吳及時,崔喜偉,毛榮琪,趙思壯
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21