專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備綠色金剛石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人造金剛石的制備方法，特別涉及一種制備綠色金剛石的方法。
背景技術(shù)：
金剛石中含有一定量的雜質(zhì)元素，而這些雜質(zhì)元素直接影響著金剛石的 性質(zhì)。某些雜質(zhì)元素能夠改善金剛石的某些性能，例如磷元素或硼元素能 改善金剛石的光學(xué)性能、機(jī)械性能、電學(xué)性能以及熱學(xué)性能等等，從而影響 到金剛石在工業(yè)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)中的潛在用途。氮是金剛石中最主要的雜質(zhì)元素，金剛石的力學(xué)，光學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué) 等物理性質(zhì)都會(huì)因?yàn)榈s質(zhì)的存在而發(fā)生改變。根據(jù)金剛石中硼、氮雜質(zhì)以及雜質(zhì)本身在晶格中的存在形式，通常把金剛石分成四種類(lèi)型Ia、 Ib、 IIa、 IIb型。在Ia型(IaA、 IaB)金剛石中氮雜質(zhì)以聚集態(tài)形式存在，IaA型金剛 石中氮元素以原子對(duì)形式聚集，而IaB型金剛石中氮元素以四個(gè)氮原子與一 個(gè)空位形成四面體形式聚集，Ia型金剛石大多顯現(xiàn)為無(wú)色。在Ib型金剛石中 氮元素主要以單一替代原子形式存在，根據(jù)金剛石中的氮元素由少到多的順 序，金剛石依次顯現(xiàn)為無(wú)色一淺黃色一黃色一深黃色一淺綠色一綠色一深綠 色一墨綠色。在II型金剛石中氮元素含量很低， 一般在lppm以下，很難通 過(guò)紅外光譜測(cè)試準(zhǔn)確檢測(cè)到。在自然界中存在的金剛石大多屬于Ia型金剛石， 含氮量一般在2xl()Sppm左右，為無(wú)色。在自然界存在的天然綠色金剛石極其 稀少，而價(jià)格比無(wú)色的金剛石更為昂貴，并且綠色金剛石比翡翠有更高的觀 賞價(jià)值，因此人們一直在試圖人工合成這種綠色金剛石。然而，普通的人工合成金剛石多采用金屬觸媒和石墨體系合成，金剛石中氮的濃度僅在300ppm 左右，金剛石顏色顯現(xiàn)為淺黃色或者黃色。迄今為止，國(guó)外有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)過(guò)的 使用傳統(tǒng)的金屬觸媒在高溫高壓條件下人工合成的金剛石中氮的濃度最高僅 能達(dá)到800ppm，這樣的金剛石顯現(xiàn)為深黃色；而國(guó)外主要以非金屬觸媒 (Na2S04、 Na2C03、氫氧化物等)在7.7GPa、 2300K的苛刻條件下合成富氮 含量金剛石，合成的金剛石粒度小(約5(Him)，并且無(wú)完整晶體形狀，由于 粒度小及有聚集態(tài)形式氮存在等原因，金剛石顯現(xiàn)為無(wú)色。天然金剛石中大量存在的氮元素在金剛石晶格中對(duì)晶體缺陷起到了釘扎 作用，使得天然金剛石的機(jī)械性質(zhì)優(yōu)于普通的人工合成的黃色金剛石。因此， 合成具有富氮含量的綠色金剛石對(duì)于如何提高金剛石的機(jī)械性能是一個(gè)有益 的探索。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種工藝過(guò)程簡(jiǎn)捷、生產(chǎn)成本較低的制備綠色金剛 石的方法，以實(shí)現(xiàn)綠色人造金剛石的工業(yè)化批量生產(chǎn)。本發(fā)明制備綠色金剛石的方法，是以石墨為原料、以FeNi或NiMnCo合 金作觸媒，石墨與合金觸媒的質(zhì)量配比為石墨FeNi或NiMnCo = 1 : 0.3 1，其特點(diǎn)是在所述原料石墨中添加有氮化鋰(Li3N)添加劑，石墨與Li3N 的質(zhì)量配比為石墨Li3N=l : 0.005-0.025，其制備工藝過(guò)程是將上述質(zhì) 量配比的粉體石墨、Li3N、合金觸媒進(jìn)行混合均勻后預(yù)壓成柱狀棒料裝入葉 蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通 電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到1450 1950K，在此同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為 4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2~5.8GPa， 再保溫保壓8 20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。本發(fā)明制備綠色金剛石的方法的制備工藝過(guò)程還可按以下方式進(jìn)行，艮口 將上述質(zhì)量配比的粉體石墨和Li3N混合均勻后預(yù)壓成1 3mm厚的片，與上述質(zhì)量配比的合金觸媒片交替疊加裝入葉蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到 1450 1950K，在此同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3 分鐘，然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2 5.8GPa，再保溫保壓8 20分鐘，停熱卸壓 后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。本發(fā)明中氮化鋰(Li3N)占原料的比例大小，是能否合成晶體形狀規(guī)則 的綠色金剛石晶體的關(guān)鍵。本發(fā)明由于用FeNi或NiMnCo合金作觸媒、氮化鋰(Li3N)為添加劑， 其合成金剛石所有原料常溫常壓下穩(wěn)定、安全，易于操作和保存，有益于綠 色金剛石的合成，克服了使用其他非金屬觸媒和添加劑合成富氮金剛石的復(fù) 雜性、苛刻合成條件及無(wú)完好晶體形狀等缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，降低了生 產(chǎn)成本，便于實(shí)施。本發(fā)明由于在金屬觸媒中添加了恰當(dāng)比例的氮化鋰 (Li3N)，合成的產(chǎn)品為具有完整晶體形狀的綠色富氮金剛石，打破了合成富 氮金剛石不能使用金屬觸媒的技術(shù)偏見(jiàn)，使人們對(duì)天然金剛石的形成機(jī)制和 人工合成金剛石形成機(jī)制的統(tǒng)一性有了一個(gè)更新的認(rèn)識(shí)。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步闡述。 實(shí)施例1一種制備綠色金剛石的方法，是以石墨為原料、氮化鋰(Li3N)為添加 劑、FeNi或NiMnCo合金作觸媒，具體工藝過(guò)程是將粉體石墨、FeNi或 NiMnCo合金觸媒、Li3N添加劑按石墨FeNi或NiMnCo : Li3N=l : (0.3~1) :(0.005 0.025)的質(zhì)量比混合均勻后預(yù)壓成柱狀棒料裝入葉蠟石合成塊中， 將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5 分鐘內(nèi)把溫度升到1450 1950K，同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0 4.8GPa條件下保 溫保壓0.5 3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2 5.8GPa，再保溫保壓8 20分Li3N添加量石墨Li3N =1:0.005石墨Li3N =1:0.01石墨Li3N =1 0.015石墨Li3N =1:0.02石墨Li3N =1:0.025鐘，停熱后卸壓，經(jīng)酸處理除雜后得到粒度均勻的富氮含量金剛石晶體，晶 體顏色為綠色，晶體生長(zhǎng)良好，結(jié)構(gòu)完整。傅立葉變換紅外吸收譜分析表明金剛石晶體中氮含量達(dá)到了 1000 2000ppm。在分別加入不同配比量的Li3N添加劑，石墨FeNi或NiMnCo =1 : 1, 其它工藝條件完全相同的情況下所獲得的綠色金剛石中氮含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下金剛石晶體中氮含量1000 ppm 1350 ppm 1650 ppm 1850 ppm 2000 ppm。在分別加入不同配比量的FeNi或NiMnCo合金觸媒，石墨Li3N =1 : 0.015,其它工藝條件完全相同的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下FeNi或NiMnCo觸媒量 金剛石晶體中氮含量 石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.3 1150 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.5 1300 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.7 1550 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1:1 1650 ppm。實(shí)施例2另一種制備綠色金剛石的方法，是以石墨為原料、以FeNi或NiMnCo合 金作觸媒，石墨與合金觸媒的質(zhì)量配比為石墨FeNi或NiMnCo = 1 : 0.3~1，其特點(diǎn)是，在所述原料石墨中添加有氮化鋰(Li3N)添加劑，石墨與 Li3N的質(zhì)量配比為石墨Li3N = 1 : 0.005~0.025，其制備工藝過(guò)程是將 上述質(zhì)量配比的粉體石墨和Li3N混合均勻后預(yù)壓成l 3mm厚的片，與上述質(zhì)量配比的合金觸媒片交替疊加裝入葉蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到 1450 1950K，同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘， 然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2 5.8GPa，再保溫保壓8 20分鐘，停熱后卸壓，經(jīng) 酸處理除雜后得到粒度均勻的富氮含量金剛石晶體，晶體顏色為綠色，晶體 生長(zhǎng)良好，結(jié)構(gòu)完整。傅立葉變換紅外吸收譜分析表明金剛石晶體中氮含量 達(dá)到了 1000 2000ppm。在分別加入不同配比量的Li3N添加劑，石墨FeNi或NiMnCo-l : 1，其 它工藝條件完全相同的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下Li3N添加量 金剛石晶體中氮含量石墨Li3N= 1 : 0.005 1000 ppm石墨Li3N= 1 : 0.01 1350 ppm石墨Li3N= 1 : 0.015 1650 ppm石墨Li3N= 1 : 0.02 1850 ppm石墨Li3N = 1 : 0.025 2000 ppm。在分別加入不同比例量的FeNi或NiMnCo觸媒，石墨Li3N=l : 0.015， 其它工藝條件完全相同的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下FeNi或NiMnCo觸媒量 金剛石晶體中氮含量石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.3 石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.5 石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.7 石墨(FeNi或NiMnCo) =1:11250 ppm 1350 ppm 1500 ppm 1600 ppm。
權(quán)利要求
1.一種制備綠色金剛石的方法，是以石墨為原料、以FeNi或NiMnCo合金作觸媒，石墨與合金觸媒的質(zhì)量配比為石墨∶FeNi或NiMnCo＝1∶0.3～1，其特征在于，在所述原料石墨中添加有Li3N添加劑，石墨與Li3N的質(zhì)量配比為石墨∶Li3N＝1∶0.005～0.025，其制備工藝過(guò)程是將上述質(zhì)量配比的粉體石墨、Li3N、合金觸媒進(jìn)行混合均勻后預(yù)壓成柱狀棒料裝入葉蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通電流，在0.5～5分鐘內(nèi)把溫度升到1450～1950K，在此同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0～4.8GPa條件下保溫保壓0.5～3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2～5.8GPa，再保溫保壓8～20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。
2. —種制備綠色金剛石的方法，是以石墨為原料、以FeNi或NiMnCo 合金作觸媒，石墨與合金觸媒的質(zhì)量配比為石墨FeNi或NiMnCo = 1 : 0.3~1，其特征在于，在所述原料石墨中添加有Li3N添加劑，石墨與Li3N的 質(zhì)量配比為石墨Li3N= 1 : 0.005~0.025，其制備工藝過(guò)程是將上述質(zhì) 量配比的粉體石墨和Li3N混合均勻后預(yù)壓成1 3mm厚的片，與上述質(zhì)量配 比的合金觸媒片交替疊加裝入葉蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂 金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到1450 1950K，在此同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘， 然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2 5.8GPa，再保溫保壓8 20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除 雜即獲得綠色金剛石晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備綠色金剛石的方法。是以石墨為原料、以FeNi或NiMnCo合金作觸媒，石墨與合金觸媒的質(zhì)量配比為石墨∶FeNi或NiMnCo＝1∶0.3～1，特點(diǎn)是在石墨中添加有Li₃N添加劑，石墨與Li₃N的質(zhì)量配比為石墨∶Li₃N＝1∶0.005～0.025，其制備工藝過(guò)程是將上述質(zhì)量配比的粉體石墨、Li₃N、合金觸媒進(jìn)行混合均勻后預(yù)壓成柱狀棒料裝入葉蠟石合成塊中，將該組裝合成塊放入六面頂金剛石壓機(jī)的高溫高壓室中，在0.5～5分鐘內(nèi)把溫度升到1450～1950K，在此同時(shí)加壓，在壓強(qiáng)為4.0～4.8GPa條件下保溫保壓0.5～3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強(qiáng)到5.2～5.8GPa，再保溫保壓8～20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。本方法簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，降低了生產(chǎn)成本，便于實(shí)施。
文檔編號(hào)B01J3/06GK101224400SQ20071005615
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月11日
發(fā)明者梁中翥, 梁靜秋, 賈曉鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所