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人造金刚石的发展简史
发布者:admin  浏览量:2301  发布时间:2012/2/13

18世纪末,人们发现身价高贵的金刚石竟然是碳的一种同素异形体,从此,制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。 一个世纪以后,石墨 —— 碳的另一种单质形式被发现了,人们便尝试模拟自然过程,让石墨在超高温高压的环境下转变成金刚石。为了缩短反应时间,需要2000℃高温和5.
人造金刚石
5万个大气压的特殊条件。
  1955年,美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备,得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体,从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河,现在他们的年产量在20吨左右;不久,杜邦公司发明了爆炸法,利用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温,也获得了几毫米大小的人造金刚石。
  金刚石薄膜的性能稍逊于金刚石颗粒,在密度和硬度上都要低一些。即便如此,它的耐磨性也是数一数二,仅5微米厚的薄膜,寿命也比硬质合金钢长10倍以上。我们知道,唱片的唱针在微小的接触面上要经受极大的压力,同时要求极长的耐磨寿命,只要在针尖上沉积上一层金刚石薄膜,它就可以轻松上阵了。如果在塑料、玻璃的外面用金刚石薄膜做耐磨涂层,可以大大扩展其用途,开发性能优越又经济的产品。
  更重要的是,薄膜的出现使金石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱,使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。目前,金刚石薄膜已应用在半导体电子装置、光学声学装置、压力加工和切削加工工具等方面,其发展速度惊人,在高科技领域更加诱人。
  用人工方法使非金刚石结构的碳转变为金刚石结构的碳,并且通过成核和生长形成单晶和多晶金刚石,或把细粒金刚石在高压高温下烧结成多晶金刚石。这是高压研究目前在生产上得到应用的一个重要实例。
  从热力学观点出发,决定石墨等非金刚石结构的碳质原料能否转变成金刚石
人造金刚石产品的相变条件是后者的自由能必须小于前者。这种相变过程是在高压、高温或者还有其他组分参与的条件下进行的。一定的压力、温度和组元浓度等可以使系统的内能发生变化,从而使价电子可处能级的统计权重发生相应的变化。这就可能出现电子转移和组成新的键合状态的电子结构,即发生了相变。如果系统中能量变化有利于在固体中发生这种电子结构的变化,则高压高温相变发生在固态,否则就可能发生在熔态或汽态。在熔体中发生这种变化的条件是,键合特征的价电子分布的统计权重相应降低,远程有序的作用趋于消失,原子配位数发生变化;而电子处于激发态的统计权重趋于增大,近程有序作用相应增强。气体中发生这种变化的条件是,单质原子间或化合物的键合分子间的电子能级趋于消失,所有的电子转移到单原子或分子能级上去,这样,电子处于激发态的统计权重更为增大。因此,人造金刚石可以在固态,也可在熔态和汽态条件下进行,这取决于压力、温度和组元浓度等因素引起系统内能的变化情况。从动力学观点出发,还要求石墨等碳质原料转变成金刚石时具有适当的转变速率。在金刚石成核率和生长速率同时处于极大值时的相变速率最大。
  自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后,就开始了对人造金刚石的研究,只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展,才获得真正的成功和迅速的发展。目前人造金刚石的具体方法多达十几种。按所用技术的特点可归纳为静压、动压和低压等三种方法。按金刚石的形成特点可归纳为直接、熔媒和外延等三类方法。

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