專利名稱：綠色人造金剛石的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及人造金剛石的制備方法，特別涉及一種綠色人造金剛石的制 備方法。
背景技術：
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 改善金剛石的光學性能、機械性能、電學性能以及熱學性能等等，從而影響 到金剛石在工業(yè)發(fā)展和科學技術中的潛在用途。
氮是金剛石中最主要的雜質(zhì)元素，金剛石的力學，光學、熱學以及電學 等物理性質(zhì)都會因為氮雜質(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形式聚集，而IaB型金剛石中氮元素以四個氮原子與一 個空位形成四面體形式聚集，Ia型金剛石大多顯現(xiàn)為無色。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)為無色_淺黃色一黃色一深黃色_淺綠色_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 過紅外光譜測試準確檢測到。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(fppm左右，為無色。在自然界存在的天然綠色金剛石極其 稀少，而價格比無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，國外有文獻報導過的 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 能達到800ppm，這樣的金剛石顯現(xiàn)為深黃色；而國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50|im)，并且無完整晶體形狀，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)為無色。天然金剛石中大量存在的氮元素在金剛石晶格中對晶體缺陷起到了釘扎 作用，使得天然金剛石的機械性質(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于如何提高金剛石的機械性能是一個有益 的探索。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種工藝過程簡捷、生產(chǎn)成本較低的綠色人造金剛 石的制備方法，，以實現(xiàn)綠色人造金剛石的工業(yè)化批量生產(chǎn)。本發(fā)明綠色人造金剛石的制備方法，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，其特點是在所述原料石墨中添加有氮化鎂(Mg3N2)添加劑，石墨與 Mg3N2的質(zhì)量配比為石墨Mg3N2= 1 : 0.003~0.02，其制備工藝過程是 將上述質(zhì)量配比的粉體石墨、Mg3N2、合金觸媒進行混合均勻后預壓成柱狀 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的高溫高 壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到1550 2000K，在此同時加壓， 在壓強為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強到 5.2 6.0GPa，再保溫保壓10 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)明綠色人造金剛石的制備方法的制備工藝過程還可按以下方式進行，即將上述質(zhì)量配比的粉體石墨和Mg3N2進行均勻混合后預壓成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的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘 內(nèi)把溫度升到1550 2000K，同時加壓，在壓強為4.0 4.8GPa條件下保溫保 壓0.5 3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強到5.2 6.0GPa，再保溫保壓10 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Mg3N2占原料的比例大小，是能否合成晶體形狀規(guī)則的綠色金 剛石晶體的關鍵。
本發(fā)明由于用FeNi或NiMnCo合金作觸媒、氮化鎂(Mg3N2)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 雜性、苛刻合成條件及無完好晶體形狀等缺點，簡化了工藝過程，降低了生 產(chǎn)成本，便于實施。本發(fā)明由于在金屬觸媒中添加了恰當比例的氮化鎂 (Mg3N2)，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偏見，使人們對天然金剛石的形成機制 和人工合成金剛石形成機制的統(tǒng)一性有了一個更新的認識。
具體實施例方式
以下通過實施例對本發(fā)明方法作進一步闡述。 實施例1
一種綠色人造金剛石的制備方法，是以石墨為原料、氮化鎂(Mg3N2) 為添加劑、FeNi或NiMnCo合金作觸媒，具體工藝過程是將粉體石墨、FeNi 或NiMnCo合金觸媒、Mg3N2添加劑按石墨FeNi或NiMnCo : Mg3N2 =1 : (0.3~1) : ( 0.003 0.02)的質(zhì)量比混合均勻后預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的高溫高壓室中，通電流，在 0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到1550 2000K，同時加壓，在壓強為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強到5.2 6.0GPa，再保溫保壓 10 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，晶體生長良好，結構完整。傅立葉變換紅外吸收譜 分析表明金剛石晶體中氮含量達到了 1000 2000ppm。在分別加入不同配比量的Mg3N2添加劑，石墨FeNi或NiMnCo-l : 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驗結果如 下金剛石晶體中氮含量1000 ppm 1250 ppm 1600 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Mg3N2 =1 :0.01,其它工藝條件完全相同的情況下的實驗結果如下FeNi或NiMnCo觸媒量 金剛石晶體中氮含量 石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.3 1250 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.5 1350 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1 : 0.7 1500 ppm石墨(FeNi或NiMnCo) = 1:1 1600 ppm。實施例2另一種綠色人造金剛石的制備方法，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，其特點是，在所述原料石墨中添加有Mg3N2添加齊U，石墨與Mg3N2 的質(zhì)量配比為石墨Mg3N2= 1 : 0.003-0.02，其制備工藝過程是將上述Mg3N2添加量石墨Mg3N2 =1:O扁石墨Mg3N2 =1:0.005石墨Mg3N2 =1:0.01石墨Mg3N2 =1 ::0.015石墨Mg3N2 =1 ::0.02質(zhì)量配比的粉體石墨和Mg3N2混合均勻后預壓成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 面頂金剛石壓機的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到1550 2000K，同時加壓，在壓強為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘，然后 繼續(xù)提高壓強到5.2 6.0GPa，再保溫保壓10 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 良好，結構完整。傅立葉變換紅外吸收譜分析表明金剛石晶體中氮含量達到 了腦0 2000卯m。
在分別加入不同配比量的Mg3N2添加劑，石墨FeNi或NiMnCo4 : 1, 其它工藝條件完全相同的情況下的實驗結果如下
Mg3N2添加量 金剛石晶體中氮含量
石墨Mg3N2 = 1 : 0.003 1000 ppm
石墨Mg3N2 = 1 : 0.005 1250 ppm
石墨Mg3N2 = 1 : 0.01 1600 ppm
石墨Mg3N2 = 1 : 0.015 1850 ppm
石墨Mg3N2 = 1 : 0.02 2000 ppm。
在分別加入不同比例量的FeNi或NiMnCo觸媒，石墨Mg3N2=l : 0.01, 其它工藝條件完全相同的情況下的實驗結果如下
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) = 1:1
1250 ppm 1350 ppm 1500 ppm 1600 ppm 。
權利要求
1.一種綠色人造金剛石的制備方法，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Mg3N2添加劑，石墨與Mg3N2的質(zhì)量配比為石墨∶Mg3N2＝1∶0.003～0.02，其制備工藝過程是將上述質(zhì)量配比的粉體石墨、Mg3N2、合金觸媒進行混合均勻后預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的高溫高壓室中，通電流，在0.5～5分鐘內(nèi)把溫度升到1550～2000K，在此同時加壓，在壓強為4.0～4.8GPa條件下保溫保壓0.5～3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強到5.2～6.0GPa，再保溫保壓10～20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。
2. —種綠色人造金剛石的制備方法，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Mg3N2添加劑，石墨與Mg3N2 的質(zhì)量配比為石墨Mg3N2= 1 : 0.003 0.02，其制備工藝過程是將上述 質(zhì)量配比的粉體石墨和Mg3N2混合均勻后預壓成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 面頂金剛石壓機的高溫高壓室中，通電流，在0.5 5分鐘內(nèi)把溫度升到155G 2000K，在此同時加壓，在壓強為4.0 4.8GPa條件下保溫保壓0.5 3分鐘， 然后繼續(xù)提高壓強到5.2 6.0GPa，再保溫保壓10 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)明涉及一種綠色人造金剛石的制備方法。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，其特點是在石墨中添加有Mg₃N₂添加劑，石墨與Mg₃N₂的質(zhì)量配比為石墨∶Mg₃N₂＝1∶0.003～0.02，其制備工藝過程是將上述質(zhì)量配比的粉體石墨、Mg₃N₂、合金觸媒進行混合均勻后預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的高溫高壓室中，在0.5～5分鐘內(nèi)把溫度升到1550～2000K，在此同時加壓，在壓強為4.0～4.8GPa條件下保溫保壓0.5～3分鐘，然后繼續(xù)提高壓強到5.2～6.0GPa，再保溫保壓10～20分鐘，停熱卸壓后經(jīng)除雜即獲得綠色金剛石晶體。本方法簡化了工藝過程，降低了生產(chǎn)成本，便于實施。
文檔編號B01J3/06GK101224399SQ20071005615
公開日2008年7月23日 申請日期2007年10月11日 優(yōu)先權日2007年10月11日
發(fā)明者梁中翥, 梁靜秋, 賈曉鵬 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所