[發明專利]制造合成單晶金剛石材料的方法

有效

• 申請號: 201380022945.7
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN104271239B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: D·玻瑟;E·古拉;C·N·道吉;R·A·斯皮特斯
• 申請（專利權）人: 六號元素技術有限公司
• 主分類號: B01J23/889
• 分類號: B01J23/889;B01J3/06;B01J23/75;B01J23/755;C30B29/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 王海寧

發明領域

本發明的某些實施方案涉及多個大單晶金剛石的高壓高溫(HPHT)合成方法。

發明背景

單晶金剛石材料的HPHT合成是本領域眾所周知的。制造小的金剛石晶體即金剛石砂粒的標準方法涉及將石墨粉末與包含例如鈷和鐵(有利地以或者接近共晶組成65％Co:35％Fe的比率)的粉狀金屬催化劑混合。其它催化劑組成也是已知的，包括例如Co、Fe、Ni、和/或Mn。微米級的金剛石粉末也可以包含在反應混合物中以形成用于金剛石生長的籽晶，盡管自發成核是可能的。

在前述金剛石砂粒的合成方法中，反應混合物被轉移到容器中并裝入壓力機，在壓力機中使其經受約5.5GPa的壓力和約1720開爾文的溫度。這樣的壓力和溫度在如下碳相圖區域內：其中金剛石是碳的熱力學穩定形式并且發生金剛石生長從而形成許多小的金剛石砂粒顆粒。較大的不尋常晶體(rogue crystal)可在容器內形成，但這些大部分是具有不期望的縱橫比的高度孿生的晶體。

典型地，在金剛石砂粒合成方法中，在金剛石生長期間施加近似恒定的壓力和溫度條件。可在幾分鐘至幾小時的時間段內發生金剛石生長以形成適合于研磨應用的砂粒顆粒，這取決于特定應用所期望的金剛石砂粒顆粒的尺寸。典型的生長運行可小于1小時，例如在15至30分鐘之間。典型的反應混合物包含約50重量％的碳(石墨)和約50重量％的金屬催化劑。如前所述，細金剛石籽晶也可以與反應混合物混合以便在反應體積中形成大量的成核位點。

適合于研磨應用的金剛石砂粒顆粒的尺寸范圍可為例如1μm至1mm，且可以控制生長條件和生長時間以產生特定的目標尺寸。盡管來自單個生長運行的晶體尺寸將略有變化，但可以控制該方法以獲得適當均勻的砂粒產物。根據尺寸、重量和/或品質，可以利用后續加工分離金剛石顆粒。

當與依賴于石墨基質內的自發成核的方法相比時，使用分散在石墨粉末基質中的小金剛石籽晶來形成成核位點的金剛石砂粒法在產生更受控的方法中可以是有利的，產生更一致和均勻的產物。這樣的引晶方法工作的前提是，生長金剛石籽晶所需的壓力小于自發成核所需的壓力。自發成核可能是不期望的，因為其能夠導致形成很多非常小的金剛石晶體而不是較大的砂粒顆粒。如果壓力P₁是在籽晶上生長所需的壓力并且壓力P₂是引起自發成核所需的壓力，那么需要在介于P₁和P₂之間的壓力P₃下操作。壓力P₃超過P₁的量被稱作超壓(over-pressure)。可以控制該超壓以使其落入下述壓力窗口內：其中發生金剛石籽晶生長但避免了廣泛的自發成核，即P₃保持在P₁和P₂之間。當籽晶上的金剛石生長被該超壓驅動時，該方法被描述為壓力驅動。

在生長過程期間，金屬催化劑熔化，碳溶解在金屬催化劑中并在籽晶上析出。金屬催化劑充當碳材料的溶劑，因此經常被稱作金屬溶劑而不是金屬催化劑。碳傳輸是經由通過金屬溶劑的擴散。石墨中的變化可產生成核位點，并且一些自發成核遠離金剛石籽晶發生。可以通過選擇良好品質的有序石墨鱗片而不是無序石墨粉末來減少這種情形。

籽晶是眾多的并分布遍及容器。因此，碳至各個籽晶的傳輸距離相對較小。隨著在籽晶生長期間碳從溶液中脫出，位于籽晶周圍的區域變得貧含碳。更多的碳被拉進溶液并通過該貧含區域擴散。濃度梯度結合超壓有助于將碳流從固態石墨通過貧含區域中的金屬溶劑推入溶液中，并從溶液中脫出進入籽晶上的固體金剛石狀態。

隨著石墨轉變成金剛石，在金剛石生長期間容器的體積減小。如果大量的碳轉變成金剛石，則該體積下降可相對較大。由于在砂粒工藝中的反應時間相對較短，那么體積下降的速率可相對較高。

由于在反應體積中金剛石籽晶不是錨固的并且自由地來回移動，因此生長中的籽晶將傾向于在來自液態金屬溶劑的浮力下在反應體積中上升。這可能導致不一致的金剛石晶體尺寸和形態。然而，可以通過有效限制金剛石顆粒的石墨基質的存在來抑制浮力下的生長中籽晶的移動，至少在金剛石砂粒工藝所需的相對較短的生長時段內。如此，形成限制性石墨基質的高的石墨含量結合良好受控且均勻的壓力與溫度條件以及相對較短的反應時間可以賦予金剛石砂粒產品適當一致的晶體形態和尺寸。