【原创】百科：人造金刚石的合成工艺

中国粉体网讯  金刚石是已知自然界中最硬的物质，包括天然金刚石和人造金刚石。人造金刚石因其优异的热、电、力学性能被广泛应用于半导体及电子器件、切削与钻探材料、光学材料以及珠宝首饰材料。

人造金刚石是通过人工模拟天然金刚石结晶条件和生长环境采用科学方法合成出来的金刚石晶体，其合成方法主要为高温高压法（HTHP）、化学气相沉积法（CVD）以及爆炸法（固相法）。

高温高压法（HTHP）

高温高压法（HTHP）是以石墨粉、金属触媒粉为主要原料，通过液压装置保持恒定的超高温、高压条件来模拟天然金刚石结晶条件和生长环境合成出金刚石晶体。

高温高压法结构简图

原材料

纯化石墨粉是金刚石生长的较理想的碳源。触媒粉即预合金粉，是由Fe基、Ni基、Mn、Cr等金属组合的金属基复合粉末，合金颗粒由两种或多种不同材料制成，一般将其分为基础预合金粉与专业预合金粉。触媒相当于催化剂，能够大大加快金刚石合成速率，一般用粉末触媒，同时采用叶蜡石、白云石、氧化镁等绝缘材料作为传压密封介质。

HPHT法合成人造金刚石用触媒材料历经了从片状触媒到粉末触媒的过渡。粉末触媒因其与石墨的接触面积大，化学成分均匀，石墨转化率高，出粉率高，合金成分易调节，石墨触媒比易调节，因此对于人造金刚石提升产量、调整颜色、矫正晶型、提高强度以及赋予其他理化等功能性性能意义重大。

生产设备

两面顶压机是世界上最早产生高压的设备，世界上第一颗人造金刚石是使用两面顶压机合成的。为打破外国对我国高温高压设备的技术封锁，郑州磨料磨具磨削研究所(三磨所)和济南锻造锻压研究所(济南铸锻所)联合开发了中国第一台DS-023型六面顶压机。

经过几十年的发展，六面顶压机已经成为应用最广泛的高压设备，六面顶压机按结构形式大体可分为铰链式和拉杆式。其中，铰链式六面顶压机是具有中国特色的高压装置结构。

拉杆式六面顶压机

铰链式六面顶压机

化学气相沉积法（CVD）

化学气相沉积法（CVD）是含碳气体和氢气混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解，形成活性金刚石碳原子，并通过控制沉积生长条件促使活性金刚石碳原子在基体上沉积交互生长成金刚石单晶。

化学气相沉积法结构简图

目前，CVD法已成功地发展了许多种，如热丝CVD法、直流电弧等离子体CVD法、微波等离子体CVD法等。

热丝CVD法 

HFCVD法是制备金刚石薄膜最早、也是较为成熟的方法之一。热丝法与其他方法相比，具有设备简单，生长过程容易控制，适合大面积金刚石薄膜及颗粒的产业化生产等优点。该方法是利用热丝加热反应腔室内的氢气、甲烷等反应气体，气体受热分解成为等离子体，含碳活性基团在基片台发生反应，沉积金刚石晶体。

HFCVD装置结构图

直流电弧等离子体CVD法 

直流电弧等离子体喷射装置如下图所示，腔体的上方由同轴型的两个电极组成，中间电极接高功率直流电源负极，另一电极接正极，等离子体下边具有冷却结构和抽气结构，可宏观调节腔内气压和沉积温度。反应气体在低压环境中被电场击穿产生电弧，电弧激发等离子，由于温度和压力迅速升高，气体从喷嘴处喷出，大量的含碳活性基团在衬底上沉积，实现大规模的金刚石制备。

直流等离子体喷射CVD装置结构图

微波等离子体CVD法

MPCVD装置由微波系统、冷却系统、运动系统、检测系统、气路、水路以及控制系统组成。

此类装置的原理是：由微波源将电能转化为微波能量，微波依次经过环形器、阻抗匹配器、波导、模式转换器、同轴结构进入谐振腔，波导管内的传输模式为TE10模式，经过模式转换器后进入谐振腔以TM模式谐振，在谐振腔内部的基片台上方聚焦形成强电场。当腔室内的气体和微波的输入功率互相匹配时，气体在强电场处被电离成为等离子体，温度达到预期后，通入甲烷、氮气以及氩气等气体，反应气体裂解成CH2、CH3、C2H2以及OH等基团，含碳活性基团在籽晶表面发生表面化学反应，形成sp3杂化的金刚石相和sp2杂化的石墨相，由于氢气对石墨的刻蚀作用大于对金刚石的刻蚀速度，从而实现金刚石的生长。

微波等离子体化学气相沉积法示意图

椭球式MPCVD装置

爆炸法

爆炸法是在没有流体的材质中合成金刚石。固态的碳原子不能经流体扩散重组成金刚石的结构，而必须在没有触媒催化的情况下直接转换成金刚石。由于合成时间短暂，可在静压下以电容放电方式瞬间（数微秒）合成或以炸药爆发所产生的短暂高压及高温即时合成。前者因受限于高压腔体的容积，所以并不实用，因此工业用金刚石微粉可以爆炸法大量生产。

爆炸法分两类，以产生高压的炸药为原料直接合成，或以震波产生的高压把石墨转化成为金刚石。炸药爆炸气化时，残存的碳及其他元素的原子会互相撞击成纳米级（3-10 nm）的炸渣。这种炸渣内含类钻碳（Diamond Like Carbon，DLC）。这个制程与PVD法近似。前者是借气体爆发将大量碳原子彼此撞在一堆，形成纳米微粒，后者是通过电场将气化的碳离子连续撞在基材上形成纳米微粒组合的薄膜。

爆炸法具有投资少、产量高以及方法简单等优点。该方法不需要大型机械设备，节省了成本，但爆炸法只能制造金刚石粉末，无法直接合成大颗粒金刚石。

结语

目前，国内人造金刚石产品生产主要采用高温高压法（HTHP）。化学气相沉积技术中微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）最为成熟，是制备大尺寸高品质金刚石晶体材料的理想手段之一，但是微波法生成技术要求高，对操作者的技能要求比较苛刻。

参考来源：

1.中国粉体网，宏威实业官网

2.王东胜等. 金刚石合成技术与研究现状简介.应用科技

3.周青超等. 从专利角度分析人造金刚石技术的发展.超硬材料工程

4.方啸虎等. 培育大单晶金刚石的现状与未来.超硬材料工程

5.田龙等. HPHT法合成人造金刚石用粉末触媒的发展与研究.超硬材料工程

6.董巳洁. 六面顶金刚石压机的精度研究.郑州轻工业大学 

7.王皓. MPCVD腔体的设计与单晶金刚石生长的研究.郑州航空工业管理学院

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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