人造金刚石的发展历史
1955年,美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备,获得了世界上第一批小型工业合成金刚石晶体,开创了工业规模生产合成金刚石磨料的先河,年产量约20吨;很快,杜邦发明了爆炸法,利用瞬间爆炸产生的高压和快速升温,也获得了大小为几毫米的人造钻石。
金刚石薄膜的性能略逊于金刚石颗粒,密度和硬度更低。即便如此,其耐磨性也是数一数二的,一层仅5微米厚的膜的寿命比硬质合金钢长10倍以上。我们知道,唱片的唱针要在微小的接触面上承受巨大的压力,同时要求极长的耐磨寿命。只要在针尖上沉积一层金刚石膜,就能轻松上阵。如果将金刚石膜用作塑料和玻璃外面的耐磨涂层,可以大大扩展其应用范围,开发出性能和经济优越的产品。
更重要的是,薄膜的出现使得金石学的应用突破了只能作为切割工具的壁垒,使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。金刚石薄膜已被用于半导体电子器件、光学和声学器件、压力加工和切割工具等。,而且它们的发展速度惊人,在高科技领域更具吸引力。
通过人工方法将非金刚石结构的碳转化为金刚石结构的碳,通过成核生长形成单晶和多晶金刚石,或者将细金刚石在高压高温下烧结成多晶金刚石。这是高压研究在生产中应用的一个重要例子。
从热力学角度来看,决定石墨等非金刚石结构的碳质原料能否转变为金刚石的相变条件是,后者的自由能必须小于前者。这种相变过程是在高压、高温或其他成分的条件下进行的。一定的压力、温度和组分浓度可以改变系统的内能,从而相应地改变价电子可及能级的统计权重。这可能导致电子转移和电子结构形成新的成键状态,即相变。如果体系中的能量变化有利于固体中电子结构的变化,则在固体中发生高压高温相变,否则可能发生在熔融态或蒸气态。熔体发生这种变化的条件是成键特征的价电子分布统计权重相应降低,远程有序化效应趋于消失,原子配位数发生变化;而激发态电子的统计权重有增大的趋势,短程有序效应也相应增强。气体发生这种变化的条件是,单个物质的原子或化合物的成键分子之间的电子能级趋于消失,所有的电子都转移到单个原子或分子的能级上,使激发态电子的统计重量更大。因此,人造金刚石可以在固态、熔融态和蒸气态下进行,这取决于压力、温度和组分浓度等因素引起的系统内能的变化。从动力学的角度来看,也要求石墨等含碳原料在转化为金刚石时要有合适的转化率。当金刚石的成核速率和生长速率同时达到最大值时,相变速率最大。
自18世纪证实金刚石由纯碳构成,人造金刚石的研究就开始了,直到20世纪50年代,通过高压研究和高压实验技术的进步,才取得了真正的成功和快速的发展。人造金刚石的具体方法有十几种。根据所用技术的特点,可归纳为静压、动压和低压三种方法。根据金刚石形成的特点,可以归纳为三种方法:直接法、熔融介质法和外延法。图为碳的压力-温度(□ -□)相图和三种方法合成金刚石的实验区。1区为直接合成金刚石实验区,2区为熔融介质合成金刚石实验区,3区为外延合成金刚石实验区。