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中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
神奇的人造金剛石
材料新視野
2014年04月15日
鉆石由金剛石加工琢磨而成，是珠寶中的貴族，它通明剔透，散發(fā)著清冷高貴的光輝，頗有“出淤泥而不染”的氣質(zhì)。擁有一枚鉆戒，是許多新娘的夢(mèng)想，但是鉆石昂貴的價(jià)格，卻是可望而不可即。
而今，人造金剛石的實(shí)現(xiàn)，使得新娘們的夢(mèng)想不再遙不可及。
而今，人造金剛石的實(shí)現(xiàn)，使得金剛石的工業(yè)應(yīng)用觸手可及。
自從人工生長(zhǎng)金剛石獲得成功以后,人們一方面以生產(chǎn)的規(guī)模大量合成工業(yè)用金剛石,另一方面則力圖生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的金剛石大單晶,以便滿足它在電子技術(shù)中的潛在應(yīng)用。
利用靜態(tài)超高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和高溫(1100～3000 C)技術(shù)通過(guò)石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬（合金）反應(yīng)生成金剛石，其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過(guò)渡形態(tài)。
隨著高溫高壓技術(shù)的發(fā)展，人造單晶金剛石最大尺寸已經(jīng)可以做到8mm。
金剛石聚晶是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成，具有耐磨性高，抗沖擊韌性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)致密均勻等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造石油，地質(zhì)鉆頭和機(jī)加工工具和寶石加工等。
原理：
反應(yīng)氣體在高溫下被分解，生成碳?xì)渥杂苫?，烴類分子和原子氫，氣體組分在氣流的導(dǎo)向下，在沉積基底表面發(fā)生氣-固相反應(yīng)，生長(zhǎng)金剛石薄膜。
CVD金剛石膜作為切削刀具材料的有利條件是其無(wú)與倫比的硬度所導(dǎo)致的優(yōu)良組合性質(zhì):
1. 好耐磨性和其尺寸穩(wěn)定性。 2. 具有較小的摩擦系數(shù)。 3. 允許刀具承受的進(jìn)攻性機(jī)械加工溫度可達(dá)800 。 4. 化學(xué)性能更穩(wěn)定,抵御刀具切削液的腐蝕。
當(dāng)今CVD沉積金剛石膜選用襯底多種多樣，硅，不銹鋼，鈦基體，鈦合金，銥，鉻，鋁，銅，鉬，鎳，鉑等等多種襯底上沉積。
但是，目前生產(chǎn)CVD金剛石膜，作為切削刀具使用尚處于試驗(yàn)階段，有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。
高溫高壓人造金剛石與低溫低壓人造金剛石比較：
而今，人造金剛石的實(shí)現(xiàn)，使得新娘們的夢(mèng)想不再遙不可及。
而今，人造金剛石的實(shí)現(xiàn)，使得金剛石的工業(yè)應(yīng)用觸手可及。
自從人工生長(zhǎng)金剛石獲得成功以后,人們一方面以生產(chǎn)的規(guī)模大量合成工業(yè)用金剛石,另一方面則力圖生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的金剛石大單晶,以便滿足它在電子技術(shù)中的潛在應(yīng)用。
高溫高壓法人造金剛石
？
利用靜態(tài)超高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和高溫(1100～3000 C)技術(shù)通過(guò)石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬（合金）反應(yīng)生成金剛石，其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過(guò)渡形態(tài)。
隨著高溫高壓技術(shù)的發(fā)展，人造單晶金剛石最大尺寸已經(jīng)可以做到8mm。
金剛石聚晶是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成，具有耐磨性高，抗沖擊韌性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)致密均勻等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造石油，地質(zhì)鉆頭和機(jī)加工工具和寶石加工等。
原理：
反應(yīng)氣體在高溫下被分解，生成碳?xì)渥杂苫?，烴類分子和原子氫，氣體組分在氣流的導(dǎo)向下，在沉積基底表面發(fā)生氣-固相反應(yīng)，生長(zhǎng)金剛石薄膜。
CVD金剛石膜作為切削刀具材料的有利條件是其無(wú)與倫比的硬度所導(dǎo)致的優(yōu)良組合性質(zhì):
1. 好耐磨性和其尺寸穩(wěn)定性。 2. 具有較小的摩擦系數(shù)。 3. 允許刀具承受的進(jìn)攻性機(jī)械加工溫度可達(dá)800 。 4. 化學(xué)性能更穩(wěn)定,抵御刀具切削液的腐蝕。
當(dāng)今CVD沉積金剛石膜選用襯底多種多樣，硅，不銹鋼，鈦基體，鈦合金，銥，鉻，鋁，銅，鉬，鎳，鉑等等多種襯底上沉積。
但是，目前生產(chǎn)CVD金剛石膜，作為切削刀具使用尚處于試驗(yàn)階段，有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。
高溫高壓人造金剛石與低溫低壓人造金剛石比較：
- 轉(zhuǎn)化為金剛石的碳源不同，高溫高壓時(shí)選用的是石墨等原料，而低溫低壓則是選用的甲烷，一氧化碳等碳源
- 高溫高壓下生成的金剛石是穩(wěn)定相，而低溫低壓生成的金剛石是非穩(wěn)定相
- 高溫高壓下合成的金剛石顆粒較大，如今高溫高下可合成尺寸較大的單晶，但是低溫低壓下尚未實(shí)現(xiàn)，低溫低壓下合成的為多晶金剛石薄膜。
- 高溫高壓的工藝相對(duì)更成熟，已有一些工業(yè)應(yīng)用，而低溫低壓尚在探索階段，但是前景廣闊。