動壓法是利用烈性炸藥爆炸時產生的平麵衝擊波驅動金屬飛片石墨,產生高溫高報使石墨轉變成金剛石。
在金剛石的熱力學平穩定區,在常壓或低壓的條件下,也可以合成出金剛石。
最近,在低壓下合成金剛石薄膜的成功,引起廣泛的注意。這種合成的方法是以碳氫化物作為碳源,其合成過程大致是:將碳氫化物分解,經活化的氫原子在化學氣相沉積過程中,為獲得足夠量的原子氫,(熱燈絲、激光加熱、電弧放電或電弧等離子體噴射、化學誘導熱氣體火焰)、電或電磁氣體放電法(微波和無線電頻率氣體放電、九流和交流輝光放電、等離子體噴射)或綜合這兩種方法(熱燈絲加微波、熱燈絲加直流放電等)來進行活化。是微波法活化氣體示意圖。微波輝光放電活化甲烷和混合氣,基底材料可采用金剛石、鎢、鉬、矽等。目前,某些方法合成金剛石的生長速度已達200微米每小時,比硬質合金的碳化物、氧化物等塗層沉積速度高近兩個數量級。例如,電弧放電氏為200~250微米時,氧乙炔火焰法為100~200微米小時。
關於石墨轉變為金剛石的假說有如下幾種。
溶劑說認為觸媒金屬起碳的溶劑作用,在高溫高壓下,石墨以原子或原子團的形式溶入熔融的觸媒金屬中,形成對石墨不飽和而對金剛石是過飽和的溶液,因此金剛石就在其穩定區從溶液中結晶出來。
催化學說認為觸媒金屬是一種催化劑,在高溫高壓下,石墨和金屬兩者溶解,形成金屬薄膜,碳原子通過起催化作用的活動金屬薄膜析出金剛石。
溶劑觸媒學說綜合了溶劑學說和催化學說的合理部分,認為觸媒金屬除了起溶劑作用外,還起催化作用,能解釋較多的現象。
固相轉化學說認為石墨和金剛石有苺種結構上的相似性,石墨晶格無需斷鍵解體,隻要通過簡單的形變就能變成金剛石。
金剛承晶體易碎裂,沿著解現而裂開。金剛石的解理麵是麵,有時也沿而解押。金剛有結晶的性質。金剛石單晶體的形狀、尺寸都有局限性,影響其廣泛應用。燒結金剛石多晶體(俗稱聚晶),由無數取向不一的小晶粒組成,不易解理、脆斷,具有較好的強度和韌性。其性質各向同性。燒結金剛石可以製成一定形狀和尺寸,因而擴大了金剛石的應用範圍。當然,由於壓機等的局限,燒結金剛石的大小和形狀仍受一定限製。
工業上廣泛采用靜壓法製爺燒結金剛石多晶體。其他方法還有爆炸法和所謂一次聚合法(在石墨轉變成金剛石的同時燒結成多晶體靜壓法燒結金剛石的組裝方式與金剛石合成大體相同。但是,加熱方式不同,靠石墨管通電間技加熱。石墨管既是加熱器又是裝金剛石粉的容器。金剛石的燒結可采用兩麵頂壓機和六麵頂壓機。
燒結金剛石多晶體大致可分3類:純金剛石多晶體;加入粘結劑的金剛石多晶體和生長型金剛石多晶體。
純金剛石多晶體具有很高的強度和耐磨性,保留著金剛石固有的高硬度和良好的導熱性。金剛石共價鍵的鍵力很強,很難塑性變形和原子擴散,燒結性很差。因此,純金剛石粉的燒結要求很高的壓力和溫度。金剛石粉末需要進行嚴格的表麵處理,以除去吸附氣體和其他雜質。
加入少量添加劑可以降低金剛石的燒結壓力和溫度。添加劑有等金屬元素和非金屬元素。根據它們在金剛石燒結中所起的作用,可分兩類:
開始產生塑性變形。金剛石高壓燒結的致密化,主要依靠金剛石的塑性變形。在金剛石-鈷係燒結時,X線衍射研究表明,在低於鈷的熔點以下,金剛石顆粒已發生塑性變形,並導致金剛石的致密化。
在金剛石燒結出現液相時,液相燒結有利於金剛石的致密化過程,液相也有助於壓力的傳遞。高壓相圖同相圖相似。碳在鈷、鎮中都有一定的溶解度。出現共晶。添加有鈷和金剛石在燒結時,發生溶解-析出過程,具有液相燒結的一般特征。用X線衍射法研究金剛石燒結時,發現在金剛石顆粒的空隙間,壓力較低的地方金剛石的局部石墨化。金剛石顆粒不同的部位,壓力是不相同的。接觸部位壓力較高,非接觸部位壓力低,甚至可能低於金剛石的穩定壓力範圍,以致發生石墨化的轉變。
還發現,在出現液相之後,石墨溶解入鈷中,並以金剛石的形式從液相析出。隨著燒結溫度的提高,碳在中的溶解度增加,直至把石墨溶解完畢,同時,金剛石的析出過程加快,至燒結過程完成。在溶解~析出過程中,隨著石墨向金剛石的相變過程。包含有石墨金剛石轉變過程的液相燒結,是這類金剛石多晶體燒結的一個特點。都是合成金剛石的有效觸媒,具有觸媒作用的粘結劑,對於金剛石燒結是很有利的。銅雖然可以在金剛石燒結時形成液相,但是,銅沒有溶解作用,也不形成共晶。銅以純銅的形式存在於金剛石燒結體中。銅的作用是液進入金剛石,消除雜質,促進金剛石重排,減少微裂紋。添加矽時,溫度超過矽的熔點就出現液相,矽與金剛石的表麵碳形成碳化矽,對金剛石起粘結作用。
在金剛石燒結時,同金剛石表麵的碳或石墨形成碳化物並將金剛石粘結起來。這些碳化物形成元素都是金剛石燒結的有效添加劑。少量硼的加入,可以顯著提高金剛石的熱穩定性。也有人認為,添加等活性元素有利於去除金剛石表麵吸附的氧等氣體,從而有利於金剛石的燒結。
粘結的金剛石多晶體是我國應用最早的燒結金剛石。鄭州磨料磨具磨削研究所研製的金剛石最早應用於地質、石油鑽探、拉絲模等。在燒結時。金剛石的碳同鎳矽化合物熔體或矽熔體作用,在金剛石表麵形成;金剛石依靠結成多晶體。鎳矽粘結的金剛石,燒結壓力、溫度較低,易於燒結成型。但是,脆性化合物損害了金剛石固有的強度和耐磨性,這種金剛石多晶體較脆。形成幾種低熔點的脆性化合物。添加少量硼和鈦,可以改善金剛石的耐熱性和耐磨性。近幾年發展起來的或粘結金剛石多晶體,具有較好的強度、耐磨性和耐熱性。
生長型金剛石是在合成的同時燒結成的金剛石多晶體。在石墨中放入觸媒金屬,例如,螺絲、鎳片、時燒結成多晶體。