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金刚石合成中的配角——叶蜡石
作者: 本站 来源: 本站 时间:2022年07月21日 留言
  金刚石合成过程中,一般并不用顶锤直接挤压样品,而是通过传压介质对样品加压。由于合成是在高温高压下进行,因此对传压介质要求很高。首先,它应具有优良的流体静力特性,即能均匀和高效率地传递压力,并有良好的封闭性能;其次要有低热传导率、高电阻率、高熔点及高温下无相变等性质。
  叶蜡石是一种天然的矿物——含水硅铝酸盐。分子式为Al2O3·4SiO2·H2O,具有包含硅氧四面体的复杂层状结构,层间容易滑移。常压下它的熔点超过1670K。当压力为5-6GPa时,其熔点超过2000℃。通常条件下,其电阻率约为106~107Ω·m,随着压力和温度的升高电阻率有所下降,在合成金刚石的压力温度条件下,电阻率下降到100Ω·m,仍能很好地起电绝缘作用。叶蜡石的热导率很低,随温度和压力改变的变化不大。在2.5GPa的压力下,叶蜡石的内摩擦系数为0.25,且其抗切强度随压缩应力的增加而增加,因此就叶蜡石的力学性质而言,它是一种好的密封材料。
  近几十年来,几乎所有的金刚石生产厂家都采用叶蜡石作为密封传压介质。因为叶蜡石拥有许多匹配的优良性质:化学稳定性好、低热膨胀性、低热传导性、高绝缘性、高熔点、高抗腐蚀性和低导电性。在合成金刚石过程中,压力由顶锤通过叶蜡石传至合成棒上。叶蜡石作为主要传压和密封介质,在金刚石生产中起很重要的作用。
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叶蜡石中的矿物
 ?。?)叶蜡石中矿物含量对合成金刚石的影响
  天然叶蜡石矿物组成是不均匀的,不同产地、不同矿位的叶蜡石成分各不相同,性能也是千差万别。一般情况下,含SiO2高的叶蜡石偏硬;含铝高的叶蜡石偏软;含Fe2O3高时,内摩擦系数高,有利于密封;含H2O高,质地软,回弹性好。我国合成金刚石主要是在六面顶压机上进行的,叶蜡石选料应该偏软,故SiO2含量应偏低。
  自然界中纯叶蜡石矿物集合体很少见,一般都伴生有石英、高岭石、水铝石等矿物。如果直接使用这种叶蜡石作为传压介质将导致金刚石产品性能波动大,工艺重复性差。
 ?。?)解决办法:
  针对这一问题,可采用粉压叶蜡石块的方法。将不同类型的天然叶蜡石混合破碎,然后用其粉末压制成型后再用,能使其传压性能趋于一致。
  这种方法大大削弱了矿物组成差别对金刚石合成造成的影响,可充分利用叶蜡石资源,有较好的工艺重复性并且使制品性能趋于稳定。我国较早采用粉末法成型叶蜡石组件,目前国内人造金刚石生产企业几乎全部采用这一工艺。
  在压制粉末块时需要特别注意,可以采用不同焙烧温度的复合材料,即在块体的棱边位置上要保证叶蜡石的密封性能;在叶蜡石块体内部要保证叶蜡石的传压性能。实际生产中要根据具体情况调整焙烧温度,此处不可一概而论。
叶蜡石的结构水及相变
 ?。?)结构水及相变对传压、密封以及金刚石生长环境的影响
  叶蜡石的基本结构单元为硅氧四面体和铝氧八面体,叶蜡石中的结构水是与铝联结成“水铝氧层”,分布在两硅氧四面体之间。
  叶蜡石作为一种固体传压介质,在高温高压下,内部的结晶水不断脱出,同时发生分解,引起一系列矿物相变,从而大大影响叶蜡石的传压性能。比如北京灰色叶蜡石在770K以上开始脱水,1220K完全脱水。1070K以上焙烧时,伴随有体积膨胀。这是在晶体的某个方向上晶格常数增大,片状结构层间距明显增加。经1470K焙烧的叶蜡石,已分解成石英+氧化铝+多铝红柱石。在足够的压力(2.5GPa以上)和高温下,叶蜡石变为柯石英(SiO2)和蓝金石(Al2O3·SiO2),此相的出现伴随着体积的缩小,造成高压腔压力下降。
  由于叶蜡石品种、类型不同及加压焙烧过程中的一系列变化(结构水脱出、相变等)必然导致传压性能的改变。在未经处理或低温烘干的条件下,传压性能以灰色的为最好,白色次之,斑点的居第三,红色的最差。
 ?。?)解决办法
  在合成金刚石过程中,叶蜡石合成块所受的温度、压力均存在一定梯度,在六面顶压机上,对叶蜡石合成块的要求是传压与密封兼备:在靠近合成棒附近,需要叶蜡石有良好的传压性能,叶蜡石应具有流体静力学特性,在叶蜡石块内部各处压力差别尽可能小,故叶蜡石应有小的剪切强度;远离合成棒,则需要叶蜡石有良好的密封性能以承受较大的压力梯度以维持腔内压力,这要求叶蜡石有大的剪切强度。叶蜡石为含水的铝硅酸盐,结构水对叶蜡石的内摩擦系数和剪切强度有很大影响。生产实践中,内层选用高温焙烧的熟料,虽然降低了传压性能,但是避免了生料中的结构水在合成环境下会汽化而恶化金刚石的生长环境,使产品质量下降的影响;外层则应选用保留适当结构水的生料,以使叶蜡石有良好的可塑性、回弹性和适当的内摩擦性,所以焙烧温度要将传压密封效果与结构水等的影响综合考虑。
  金刚石生长环境应尽可能纯净,这样生长出的金刚石才能保证粗颗粒和完整单晶比例高,金刚石单晶内包裹体少。在合成金刚石的高温下,叶蜡石固有的结晶水会被分离出来,并可能分解成氢和氧或氢氧根,这些分解物对石墨向金刚石的转化非常有害。因此,单一地把叶蜡石作为金刚石合成用的传压介质就显得不太理想。
  因此后来出现了一种更适合金刚石合成用的传压介质,即由一个氧化钠套管装在叶蜡石块内组成的结构。这种由低剪切强度材料(氯化钠)和高剪切强度材料(叶蜡石)组合而成的传压介质,既保持了合成金刚石时所必须的密封性,又因氯化钠良好的传压性和保温性,且不产生有害杂质的特性,使得套管结构比单一叶蜡石介质更适宜于金刚石的合成。
  叶蜡石合理利用的研究还在继续,虽然只是高压合成中的一个配角,却发挥着重要的作用,随着合成产品的多样化和腔体大型化的发展,叶蜡石在生产中必将会受到越来越多的重视。
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