自從人工生長(zhǎng)金剛石獲得成功以后,人們一方面以生產(chǎn)的規(guī)模大量合成工業(yè)用金剛石,另一方面則力圖生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的金剛石大單晶,以便滿足它在電子技術(shù)中的潛在應(yīng)用。
一、高溫高壓法人造金剛石
1954年Bundy等人利用金屬觸媒在高溫高壓條件下首次實(shí)現(xiàn)人造金剛石單晶的合成。
圖1 菱方石墨向立方金剛石的轉(zhuǎn)變
原理:
利用靜態(tài)超高壓(50~100kb,即5~10GPa) 和高溫(1100~3000°C)技術(shù)通過(guò)石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬(合金)反應(yīng)生成金剛石,其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過(guò)渡形態(tài)。
隨著高溫高壓技術(shù)的發(fā)展,人造單晶金剛石的尺寸越來(lái)越大。
圖2 我國(guó)科研人員研制的人造金剛石
圖3 各種金剛石制品
到20世紀(jì)70年代開發(fā)的金屬燒結(jié)聚晶金剛石(PCD),人工合成金剛石材料已經(jīng)成為自然單晶金剛石的唯一替代物
圖4 金剛石聚晶
金剛石聚晶是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成,具有耐磨性高,抗沖擊韌性強(qiáng),熱穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)致密均勻等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于制造石油,地質(zhì)鉆頭和機(jī)加工工具和寶石加工等。
二、低溫低壓法人造金剛石
圖5 低溫低壓合成金剛石過(guò)程示意圖
低溫低壓制備金剛石起始于1970年前蘇聯(lián)Deryagin,Spitsyn和Fedoseev等人的成功試驗(yàn),1980年前后,日本Setaka等人驗(yàn)證了在低壓條件下非金剛石襯底上氣相生長(zhǎng)金剛石晶體是可行的。
圖6 普通CVD法沉積金剛石膜的示意圖
低溫低壓下化學(xué)相沉積(CVD)金剛石薄膜,是當(dāng)今的一大研究熱點(diǎn)。
圖7 CVD金剛石膜
CVD金剛石膜作為切削刀具材料的有利條件是其無(wú)與倫比的硬度所導(dǎo)致的優(yōu)良組合性質(zhì):
1. 好耐磨性和其尺寸穩(wěn)定性。
2. 具有較小的摩擦系數(shù)。
3. 允許刀具承受的進(jìn)攻性機(jī)械加工溫度可達(dá)800℃。
4. 化學(xué)性能更穩(wěn)定,抵御刀具切削液的腐蝕。
圖8 金剛石砂輪修整工具
當(dāng)今CVD沉積金剛石膜選用襯底多種多樣,硅,不銹鋼,鈦基體,鈦合金,銥,鉻,鋁,銅,鉬,鎳,鉑等等多種襯底上沉積。
圖9 CVD金剛石涂層刀具
但是,目前生產(chǎn)CVD金剛石膜,作為切削刀具使用有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。
綜上可知,高溫高壓人造金剛石與低溫低壓人造金剛石比較大致有以下的不同:
1.轉(zhuǎn)化為金剛石的碳源不同,高溫高壓時(shí)選用的是石墨等原料,而低溫低壓則是選用的甲烷,一氧化碳等碳源;
2.高溫高壓下生成的金剛石是穩(wěn)定相,而低溫低壓生成的金剛石是非穩(wěn)定相;
3.高溫高壓下合成的金剛石顆粒較大,如今高溫高下可合成尺寸較大的單晶,但是低溫低壓下尚未實(shí)現(xiàn),低溫低壓下合成的為多晶金剛石薄膜;
4.高溫高壓的工藝相對(duì)更成熟,已有一些工業(yè)應(yīng)用,而低溫低壓尚在探索階段,但是前景廣闊。
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