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CVD钻石31CVD合成钻石合成原理及识别特征

admin 人造钻石 2020年10月27日

  CVD钻石31CVD合成钻石合成原理及识别特征_能源/化工_工程科技_专业资料。CVD 钻石 CVD 合成钻石合成原理及识别特征 一、合成钻石的历史和现状 早在 18 世纪人们就开始了合成钻石的探索,但直到 20 世纪,由于热力学 及高温高压技术的发展, 才使钻石的合成得以实现。

  CVD 钻石 CVD 合成钻石合成原理及识别特征 一、合成钻石的历史和现状 早在 18 世纪人们就开始了合成钻石的探索,但直到 20 世纪,由于热力学 及高温高压技术的发展, 才使钻石的合成得以实现。 1953 年瑞士工程公司(ASEA) 使用压力球装置首次成功地合成出了 40 粒小颗的钻石,美国通用电气公司(GE) 也于 1955 年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。 此后, 工业级钻石的合成技术得到广泛应用,目前几乎三分之二的工业用钻 已由合成钻石替代了。但直到 1970 年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公 司合成成功。经过近三十年的努力,目前已能获得十几克拉大的晶体,但宝石级 钻石合成的成本仍然很高,不能进行大批量的生产。2000 年可切磨的合成钻石 只有 3500ct,仅占当年天然宝石级钻石产量的 0.01%。 到二十世纪九十年代,采用化学气相沉淀法(CVD)合成钻石薄膜,在固相基 片上沉积形成金刚石多晶质薄膜,作为工业用途。2003 年,美国 CVD 钻石公司 合成出达到宝石级单晶,并开始商业性生产。最近,美国华盛顿地球物理实验室 实现 100μm/h 的 CVD 合成钻石的速度,通过化学气体沉淀,高压高温热,化学 蒸镀法,带腰码,生产出了 10ct、半英寸厚 的单晶钻石。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸,采用 CVD 顺序地在钻石基 片的 6 个面上生长 的方法, 有可能实现英寸级(约 300ct)无色钻石单晶的三维生 长。人们还发现,高压高温热处理能改善 CVD 合成钻石的颜色、提高合成钻石 的硬度。 二、 高温高压种晶触媒法合成钻石 (一)合成钻石的原理 钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。根据钻石-石墨的相平衡图可知, 在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式,钻石只有在高温高压下才是最稳定的, 在高温高压(相图中钻石稳定区的条件)下,石墨的中的碳原子会重新按钻石的结 构排列,而形成钻石。 合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法(即在亚稳定区内生长钻石 的方法)。合成工业用钻石主要采用静压法中的静压触媒法,通过液压机产生 (4500~9000)X109Pa 的压力,以电流加热到 1000~2000℃的高温,利用金属 触媒实现石墨向钻石的转化。 宝石级合成钻石也是采用的静压法, 但加入了种晶, 所以又称为晶种触媒法。 金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件,提高转化率。同 时,金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下,石墨和钻石都可以 溶于触媒中, 并且, 石墨的溶解度大于钻石, 当压力升高时, 二者的差异也增大。 因此,当石墨在金属触媒中溶解达到饱和时,对钻石而言就已经达到过饱和了, 此时,钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂, 晶体生长的时间较长,所以成本比合成工业钻砂高得多。 (二)合成钻石的晶形、颜色及类型的控制 1、晶形:合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度 对形态有一定的影响。温度较低(1300℃)时以立方体为主,温度较高(1600℃) 时以八面体为主。 2、颜色和类型 合成钻石的颜色和类型也可以控制。因为生长舱内充满了空气,空气中含有 氮,所以大多数合成钻石都是含孤氮的 Ib 型钻石。这种钻石多为黄到褐色。如 果在反应舱内放一些氮的吸收剂,如锆或铝,则可以获得无色的不含氮的Ⅱa 型 钻石。如果同时再加入一些硼,则可合成出含硼的蓝色Ⅱb 型钻石。


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