一種人工生長大顆粒金剛石單晶的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種HPHT(高溫高壓)條件下，利用溫度梯度法生長大顆粒金剛石單晶 的方法及裝置，屬于大顆粒金剛石單晶生長技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] HPHT(高溫高壓)條件下、采取溫度梯度法人工生長大顆粒金剛石單晶，具體的說 是通過人工生長金剛石專用的超高壓設(shè)備（國內(nèi)普遍采用六面頂油壓機，國外也有采用其 它形式的壓機，本發(fā)明特指的是國內(nèi)普遍采用的人工生長金剛石專用的六面頂油壓機，）將 包含有石墨、金屬觸媒和導電加熱管/片、熱絕緣元件的葉臘石立方塊模具加壓至金剛石生 長需要的壓力5_6GPa，同時通過六面頂壓機的兩個導電頂錘施加 AC-10V電壓，葉臘石立方 塊模具內(nèi)的加熱管/片的導電發(fā)熱將石墨、金屬觸媒加熱至金剛石生長要求的溫度1200°C-1500°C。業(yè)已知道用溫度梯度法生長金剛石單晶的現(xiàn)有工藝是由美國通用電氣公司首先創(chuàng) 立的（參見美國專利4034066)，隨著對溫度梯度法生長大顆粒金剛石單晶工藝方法的不斷 努力完善，使采用這種方法生長的大顆粒金剛石單晶產(chǎn)品能夠批量供應，用于高精度切削 刀具、光學儀器和其它基體材料。
[0003] 現(xiàn)有人工生長大顆粒金剛石單晶的溫度梯度法所用裝置，如圖1，包括一個具有良 好傳壓、密封性能的葉臘石模具1，一個具有良好導電性能的加熱組件2,一個具有良好導熱 和高電絕緣性能的電絕緣組件3,一種防止晶種促溶解層4,一個晶種5,一個金屬觸媒6,一 個碳源(石墨塊)7,此外還需要一個能夠產(chǎn)生高壓(5-6GPa)的設(shè)備。在碳源7和晶種5之間產(chǎn) 生溫差ΛΤ，形成碳源7和晶種5之間的溫度梯度ΛΤ/Η(Η為金屬觸媒6的厚度），該溫度梯度 成為在晶種5上不斷外延生長金剛石單晶的動力。
[0004] 采用上述傳統(tǒng)方法生產(chǎn)金剛石單晶時多采用晶種的{100}面作為生長面，使{100} 面垂直于碳的擴散方向，從而保證{100}面的生長速度最快。上述方法需要保證晶體始終在 比觸媒和石墨的共晶點高20-60°C的溫度下生長，才能盡可能的減少晶體生長時出現(xiàn)的觸 媒(金屬)夾帶。中國專利文獻CN88103598A公開的合成大尺寸金剛石的方法，提出了采用晶 種的{111}面作為生長面，并將圓柱狀的金屬觸媒(將圖1中金屬觸媒6改進為中間部位高于 邊緣部位，將改進的金屬觸媒稱為溶劑塞，圖2所示的為改進后的金屬觸媒塊6和碳源(石墨 塊)7的示意圖，改進后的金屬觸媒件6和石墨(碳源)件7能夠保證晶體生長過程中各部位碳 濃度的一致性，而晶體生長過程中各部位的碳濃度差是造成出現(xiàn)觸媒(金屬)夾帶問題的主 要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有金剛石單晶制備技術(shù)存在的不足，提供一種能夠有效避免大顆粒 金剛石單晶生長過程中的金屬夾帶并且大幅度提高生產(chǎn)效率的人工生長大顆粒金剛石單 晶的方法，采用該方法能夠生產(chǎn)出粒徑大于l〇mm的大顆粒金剛石單晶體。同時提供一種實 現(xiàn)該方法的裝置。
[0006] 本發(fā)明的人工生長大顆粒金剛石單晶的方法，是：
[0007] 采用粒徑0.5-lmm的金剛石晶種的一個{100}面作為生長面，將金剛石晶種置于金 屬觸媒的底部;在晶體生長之前，通過加熱使石墨與金屬觸媒達到共晶點溫度，然后逐漸提 高溫度至高于石墨與金屬觸媒共晶點溫度20_60°C，并嚴格保持該溫度，在5.6GPa-5.9GPa 高壓環(huán)境下，使晶種的{100}面的生長始終處于優(yōu)勢。
[0008] 金剛石晶種均勻的分布在同心圓周線上，以更利于晶體的均勻生長。
[0009] 金屬觸媒采用FeCoTi合金或FeNi合金(其中FeCoTi合金用于無色（Ila型）大顆粒 金剛石單晶的生長，F(xiàn)eNi合金用于黃色（la型）大顆粒金剛石單晶的生長），F(xiàn)eC 〇Ti合金中三 種元素的質(zhì)量分別占70%$^、27%(〇))和3%(1^)^6附合金中三種元素的質(zhì)量分別占 64%(Fe)和 36%(Ni)。
[0010] 碳源采用天然鱗片狀石墨，石墨的碳含量不小于99.9%，粒度為60目，在30-50MPa 壓力下壓制成塊狀。
[0011] 實現(xiàn)上述方法的人工生長大顆粒金剛石單晶的裝置，采用以下技術(shù)方案：
[0012] 該裝置，包括導電片、導電石墨環(huán)、耐火保溫套、石墨管、絕緣槽和導電石墨片；導 電石墨片和絕緣槽設(shè)置在石墨管內(nèi)，導電石墨片設(shè)置在絕緣槽的開口處，兩者形成金剛石 單晶生長的封閉空間，石墨管的外側(cè)設(shè)置有耐火保溫套，石墨管的上端和下端均設(shè)置有端 蓋，端蓋內(nèi)設(shè)置有導電石墨環(huán)，端蓋的外側(cè)設(shè)置有導電片，導電石墨環(huán)的兩端分別與石墨管 和導電片接觸。
[0013] 所述耐火保溫套是在葉臘石塊內(nèi)套裝白云石環(huán)而成。
[0014] 封閉空間內(nèi)裝有石墨塊和金屬觸媒塊，金屬觸媒塊置于石墨塊的下方。石墨管用 于加熱，導電石墨片和石墨塊為金剛石單晶生長提供碳源。上下端的導電片分別與六面頂 油壓機的兩個導電頂錘接觸，油壓機的加熱變壓器提供的低壓電流通過導電頂錘、導電片、 導電石墨環(huán)和石墨管形成加熱回路，低壓電流通過石墨管產(chǎn)生熱量，耐火保溫套及上下端 蓋起到密封、傳壓和保持溫度的作用。石墨管產(chǎn)生的熱量經(jīng)絕緣套傳熱至腔體內(nèi)部，保證晶 體生長需要的溫度。石墨塊與含硼的金屬觸媒塊在達到共晶溫度時會互溶，碳在溫度差ΛΤ 的作用下逐漸移向金屬觸媒塊的底部晶種位置，當腔體內(nèi)達到高于石墨塊與金屬觸媒塊共 晶溫度時，晶種的{100}面會生長并保持優(yōu)先。
[0015] 本發(fā)明有效避免了大顆粒金剛石單晶生長過程中的金屬夾帶現(xiàn)象，在HPHT(高溫 高壓)條件下，以石墨為碳源，利用溫度梯度法生長出了粒徑大于l〇mm的大顆粒金剛石單 晶，大幅度提尚生廣效率。
【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有人工生長大顆粒金剛石單晶的所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是改進后人工生長大顆粒金剛石單晶的所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3現(xiàn)有技術(shù)中已公開的碳的溫度及壓力相圖。
[0019] 圖4是實現(xiàn)本發(fā)明溫度和壓力條件形成的石墨-金剛石轉(zhuǎn)化區(qū)間示意圖。
[0020] 圖5是晶體生長過程中的溫度場變化示意圖。
[0021 ]圖6是本發(fā)明中大顆粒金剛石單晶的生長腔體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖7是本發(fā)明中晶種排列方式示意圖。
[0023] 圖8是實施例1中用有限元計算的金剛石單晶生長腔體內(nèi)的溫度分布示意圖。
[0024] 圖9是實施例2中用有限元計算的金剛石單晶生長腔體內(nèi)的溫度分布示意圖。
[0025] 圖10是實施例3中用有限元計算的金剛石單晶生長腔體內(nèi)的溫度分布示意圖。
[0026] 其中：1、葉臘石模具，2、加熱件，3、電絕緣件，4、防止晶種促溶解層，5、晶種，6、金 屬觸媒，7、碳源(石墨），8、生長初期的金剛石晶體，9、生長后期的金剛石晶體，10、導電片， 11、導電石墨環(huán)，12、葉臘石塊，13、白云石環(huán)，14、石墨管，15、絕緣槽，16、導電石墨片，17、石 墨塊，18、金屬觸媒塊，19、端蓋。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明的人工生長大顆粒金剛石單晶的方法，是采用粒徑0.5-lmm的金剛石晶種 的一個{100}面作為生長面，在晶體生長之前，通過導電加熱使石墨與金屬觸媒達到共晶點 溫度后，逐漸提高溫度至高于石墨與金屬觸媒共晶點溫度20-60°C，并嚴格保持該溫度，使 晶種的{100}面的生長始終處于優(yōu)勢。
[0028] 本發(fā)明根據(jù)圖3給出的碳溫度及壓力相圖，設(shè)計的石墨金剛石轉(zhuǎn)化條件為:a)金屬 觸媒作用下，轉(zhuǎn)化溫度為1400至1450°C，轉(zhuǎn)化的壓力條件為5.6-5.9GPa，上述條件形成的轉(zhuǎn) 化區(qū)間如圖4所示，確切地說就是指金剛石晶體生長期間，其生長面的條件始終穩(wěn)定的處于 上述條件下。本發(fā)明設(shè)計的溫度梯度條件為:b)溫度差20-60°C，即圖1中碳源7與晶種5之間 的溫度差ΛΤ為20-60°C。選擇中國境內(nèi)人工生長金剛石普遍采用的金剛石專用的六面頂油 壓機作用加壓設(shè)備，保證能夠提供5.6-5.9GPa的壓力。
[0029] 隨著金剛石晶體的逐漸長大，設(shè)計的溫度場由于金剛石的導熱系數(shù)與石墨和金屬 觸媒導熱系數(shù)的懸異將導致紊亂，同時金剛石晶體生長面溫度逐漸增大，出現(xiàn)圖4中所示的 由A點向A'點轉(zhuǎn)變。隨著金剛石晶體的逐漸長大，碳由石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，體積減少，生長晶 體的腔體內(nèi)部的壓力會逐漸減小，以上兩種因素最終導致了生長點由A點向B點的轉(zhuǎn)變，生 長粒徑大于l〇mm的金剛石晶體時上述轉(zhuǎn)變會變的不容忽視。由圖5中可以更直接的觀察到， 在由生長初期的金剛石晶體8至生長后期的金剛石晶體9的過程中，隨著金剛石晶體的生 長，其生長面逐漸移向溫度成梯度分布的腔體內(nèi)的高溫度區(qū)，即由A點向A'點轉(zhuǎn)變。
[0030] 本發(fā)明設(shè)計了滿足于金剛石晶體的生長條件a)和b)要求的晶體生長腔體。同時， 為解決晶體生長面由A點向B點的轉(zhuǎn)變的趨勢，本發(fā)明通過在生長過程中連續(xù)調(diào)整加熱電 壓，不斷調(diào)整溫度場的分布，以保證金剛石晶體生長過程中始終滿足a)和b)所述的生長條 件。
[0031] 本發(fā)明所設(shè)計的晶體生長腔體如圖6所示，包括導電片10、導電石墨環(huán)11、葉臘石 塊12、白云石環(huán)13、石墨管14、絕緣槽15和導電石墨片16。導電石墨片16和絕緣槽15設(shè)置在 石墨管14內(nèi)，且導電石墨片16設(shè)置在絕緣槽15的開口處，兩者形成金剛石單晶生長的封閉 空間，該空間內(nèi)裝有石墨塊17和金屬觸媒塊18,金屬觸媒塊18置于石墨塊17的下方。石墨管 14用于加熱。石墨管14的外側(cè)設(shè)置有耐火保溫套，該耐火保溫套是在葉臘石塊12內(nèi)套裝白 云石環(huán)13而成，葉臘石和白云石均為耐火材料，葉臘石塊12用于密封、傳壓及保溫，白云石 環(huán)13作為保溫材料。石墨管14的上端和下端均設(shè)置有端蓋19,端蓋19內(nèi)設(shè)置有導電石墨環(huán) 11。端蓋19的外側(cè)設(shè)置有導電片10,導電石墨環(huán)11的兩端分別與石墨管14和導電片10接觸。 導電石墨片16和石墨塊17為金剛石單晶生長提供碳源。通過調(diào)整導電石墨片16的厚度形成 空間內(nèi)的金屬觸媒塊18的上下溫度差ΛΤ。
[0032] 通過調(diào)整晶體生長腔體的各部位尺寸，以