CN112064120B - 一种大尺寸培育金刚石用籽晶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸培育金刚石用籽晶及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：由触媒与高纯石墨按照质量比（60~70）:（30~40）高温高压合成，所述触媒由Fe粉、Ni粉、Cu粉、Co粉、Ce粉和金刚石粉组成，采用通用工艺制备成合成芯柱。高温高压合成时，合成时间40‑50小时，得到3mm‑5mm的大尺寸典型（100）面籽晶。所述方法合成出的籽晶在高精度抛磨机上对其（100面）进行精密的抛磨加工，提高籽晶（100）晶面的表面光洁度，减少晶面缺陷，同时保证（100）晶面的偏离角小于5°，作为预置籽晶用以合成培育金刚石用。

Description

一种大尺寸培育金刚石用籽晶及其制备方法

技术领域

本发明属于人造培育金刚石合成生产技术领域，涉及一种大尺寸培育金刚石用籽晶及其制备方法。

背景技术

培育金刚石是一种人工方法获得的金刚石，当重量、净度、色度都达到宝石级的要求后，经过特定切工打磨可成为培育钻石。科学的发展表明培育金刚石在光学领域、半导体领域、机械领域乃至量子科学领域有着巨大的应用潜力，现有生产技术的进步与社会的发展，促使培育钻石在珠宝行业持有非常高的热度，其关键原因在于该品种的最大原料生产国在中国。中国作为全球最大的培育钻石毛坯生产国，等于拥有了比全球所有天然钻石矿总储备还要大上几十倍的资源，从而在这个品类上一举打破了国外机构在天然钻石产业链源头的高度垄断格局，促使培育钻石的市场逐步成熟。从而加快了培育钻石的应用开发，这也给培育钻石创造了难得的机会，刺激生产商扩大生产，加大科研投入，进一步提高产品品质。

人工培育大尺寸金刚石，技术要求非常苛刻，其中预置籽晶制备就是大尺寸培育金刚石生产的一项关键技术。目前采用籽晶（100）面作为生长面，制备工艺与方法的不同，将直接影响籽晶（100）面的品质，从而影响培育金刚石的合成过程与合成质量，本发明就是为了合成出优质大尺寸培育金刚石，通过对籽晶的高温高压合成过程中触媒配方、配套工艺的研究，保证合成出具备优质（100）晶面的金刚石籽晶，再对合成出的籽晶严格按照技术要求进行挑选和抛磨精密加工，从而获得大尺寸培育金刚石用籽晶。

发明内容

本发明提供了一种大尺寸培育金刚石用籽晶及其制备方法，用本发明提供的方法制备的籽晶，（100）晶面完整无缺陷，籽晶尺寸可以达到3mm以上。用该籽晶培育出的金刚石单粒可以达到20ct以上，且单晶晶型、内部净度等质量都较好、合成过程稳定，成功率高。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种大尺寸培育金刚石用籽晶的制备方法，本方案选用粉末合成法合成金刚石籽晶，具体过程如下：

触媒与高纯石墨的质量比固定为（60~70）:（30~40），所述触媒由Fe粉、Ni粉、Cu粉、Co粉、Ce粉和金刚石粉组成，其中，Fe 65-70%、Ni 25-30%、0.1<Cu≤1% 、1< Co≤3%，上述四种原料的加和为100%，以上述四种原料总重计，再加入0.1%~0.5%的稀土元素Ce和质量分数为0.01%-0.015%的100/200粒度金刚石微粉，上述各元素的添加均以单质纳米粉的形式加入，所述Fe粉、Ni粉 、Cu粉、Co粉以及Ce粉的粒度均为300目以细。

芯柱制备工艺采用目前通用的的高速混料、造粒、压制成型、真空还原处理等生产工艺。因其不在此发明创新之所在，在此不再详述。添加Cu元素的目的在于：常规触媒合成出的金刚石中存在大量自发成核长成的连晶体，严重影响金刚石的整体质量，添加Cu之后，可有效减少金刚石的自发成核，提高合成出的金刚石的质量。FeNi基触媒中添加Co元素，有效降低了合成过程中的碳原子扩散激活能，进一步提高了碳活度，加快了晶体的生长速度。同时添加一定质量分数的Ce元素，以达到净化触媒和提升催化活性的目的。

将石墨芯柱装入合成块的合成腔体内，合成腔体内压力为6.0-6.1GP，合成温度为1200℃-1250℃，合成时间为40-50小时。静态超高压高温制备籽晶时，采用特殊加热加压工艺，具体的：所述芯柱配方的设计，有效降低了合成所需的压力和温度，合成腔体内压力只需要在6.0-6.1GP左右，明显低于传统的6.5GP要求，合成温度在1200℃-1250℃，也低于传统的1300℃-1400℃。为了保证合成出的金刚石籽晶达到3mm以上，合成时间需要40-50小时。

采用上述方法合成出的金刚石籽晶已经具有典型的（100）晶面，晶面尺寸也可达3mm以上，但还需要对（100）晶面进行精密的抛磨处理，抛磨处理的目的是提高（100）晶面的表面光洁度，减少晶面缺陷，同时保证（100）晶面的偏离角小于5°，这样才能保证大尺寸于培育金刚石的生产质量。优选地，抛磨时，将合成出的籽晶在高精度抛磨机上对其（100面）进行精密的抛磨加工，使籽晶（100）晶面表面光洁度在△10以上同时籽晶（100）晶面的偏离角小于5°。

本发明的有益效果是：

1、芯柱触媒配方的设计，在铁镍基触媒中添加一定质量分数的Cu、Co、Ce，使得籽晶生长过程中，充分保证晶体质量的基础上，有效提高了生长速度，缩短了正常合成籽晶所需的时间。

2、所述芯柱触媒配方的设计，高温高压合成籽晶过程中，有效降低了合成时所需的压力和功率，设备的稳定性高，同时也降低了能源消耗，降低了生产成本。

3、对籽晶（100）面进行精密的抛磨加工，进一步的优化处理，提高了籽晶（100）面的表面光洁度，同时（100）晶面偏离角的技术方案，进一步保证了培育金刚石的合成过程稳定。

本发明工艺路线明确，合成方法简单、简便，稳定，可重复性强，可得到优质（100）面的大尺寸籽晶，值得广泛推广应用。

附图说明

图1是合成块的结构示意图；

图2是实施例1合成出的籽晶图；

图3是实施例1抛磨后籽晶的偏离角检测结果图；

图4是培育金刚石组装结构示意图；

图5是实施例1培育出的金刚石图；

图6是实施例2培育出的金刚石图；

图1、图4中，1.叶蜡石合成块，2.导电钢圈，3.叶腊石环，4. 白云石外衬，5.碳纸管，6.碳纸片，7.氧化镁杯，8.碳源，9.FeNi触媒，10.晶床，11、籽晶。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

高纯石墨的纯度≥99.9999%。

实施例1

一种大尺寸培育金刚石用籽晶的制备方法，包括如下步骤：

（1）先预制合成块，采用静态高温高压法合成金刚石的合成块（具体结构详见专利2016208984018、2016106838825），如图1所示，包括叶蜡石合成块1、导电堵头2、叶蜡石环3、白云石外衬4、碳纸管5、碳纸片6、白云石环7、石墨芯柱8。

触媒与高纯石墨的质量比为65:35，所述粉状触媒包含以下质量百分比：Fe 68%、Ni 30%、Cu 0.5% 、Co 1.5%，在此基础上加入质量分数为0.3%的稀土元素Ce和质量分数0.015%的100/200粒度金刚石微粉。采用目前通用的高速混料、造粒、压制成型、真空还原处理等生产工艺制备成石墨芯柱。具体的：所述触媒与高纯石墨按照前述配比，使用三维混料机混合均匀，混合时间6小时，混合后的物料加入到直径为4mm的对辊挤压造粒机上进行造粒，造粒结束后用四柱液压机压制成型，四柱液压机中磨具规格：φ56mm×52mm，选用真空加热炉，将原料芯柱装盘后放入真空加热炉中真空还原纯化，保温温度850℃，保温3小时后通入氢气还原，通氢气前先关闭抽真空***，通氢气至炉内压力达到0.02MPa，保持15分钟后开启抽真空***并抽真空15分钟，重复循环5次后，保温2小时后结束，保温结束后通入氩气至炉内使压力达到0.12MPa，启动冷却风机至炉温低于60℃时出炉，得到合成用原料芯柱。

（2）高压高温合成，制备好的合成芯柱按附图1组装成高温高压合成用组装块，放入国产六面顶压机内进行高温高压合成，合成压力6.1GP，合成温度1230±5℃，合成时间48小时，合成结束后取出合成块，经过酸处理提纯，如图2所示，得到3.74mm的大尺寸典型（100）面籽晶。

（3）按技术要求在高精度抛磨机（ATM-ZD-250）上进行精密的抛磨加工，使籽晶（100）面的表面光洁度在△10以上以及（100）晶面的偏离角小于5°，作为预置籽晶用以合成培育金刚石用，如图2所示。

其中，偏离角的测定采用JF-7型大功率自动寻峰晶体定向仪，标准是59度45分25秒，差值的绝对值就是偏离值，本实施例制得的籽晶（100）面的平均角度为59度06分03秒，如图3所示，因此，本实施例1制得的籽晶（100）晶面的偏离角小于1°。

（4）采用温度梯度法高温高压合成培育钻石，按附图4所示组装成培育钻石合成用组装块，放入国产六面顶压机内进行合成，其中晶床10上籽晶11的预置方式，采用籽晶（100）面朝上的分布，充分保证培育钻石的择优生长，合成工艺采用目前通用的生产工艺（具体可参考专利ZL201610683882.5和ZL201620898401.8中的方法），在此不再详述，合成时间200小时，合成结束后取出合成块，经过酸处理提纯，得到20ct以上（具体为21.85ct）的培育金刚石单晶，单晶色度达到D级，净度VVS级，如图5所示。

实施例2

一种以实施例1制得的籽晶培育金刚石的方法，

采用温度梯度法高温高压合成培育钻石，按附图4所示组装成培育钻石合成用组装块，放入国产六面顶压机内进行合成，其中晶床10上籽晶11的预置方式，采用籽晶（100）面朝上的分布，充分保证培育钻石的择优生长，合成工艺采用目前通用的生产工艺（具体可参考专利ZL201610683882.5中的方法），在此不再详述，合成时间240小时，合成结束后取出合成块，经过酸处理提纯，得到20ct以上（具体为30.10ct）的培育金刚石单晶，单晶色度达到D级，净度VVS级，如图6所示。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种大尺寸培育金刚石用籽晶的制备方法，其特征在于：由触媒与高纯石墨按照质量比（60~70）:（30~40）组成，所述触媒由Fe粉、Ni粉、Cu粉、Co粉、Ce粉和金刚石粉组成，其中，Fe 65-70%、Ni 25-30%、0.1<Cu≤1% 、1< Co≤3%，上述四种原料的加和为100%，以上述四种原料总重计，再加入0.1%-0.5%的稀土元素Ce和质量分数为0.01%-0.015%的100/200粒度金刚石微粉；所述Fe粉、Ni粉 、Cu粉、Co粉以及Ce粉的粒度均为300目以细；

具体制备过程如下：

（1）按比例取触媒各原料及高纯石墨，将触媒各原料及高纯石墨混料、造粒、压制成型、真空还原处理制备成石墨芯柱；

（2）将石墨芯柱装入合成块的合成腔体内，合成腔体内压力为6.0-6.1GP，合成温度为1200℃-1250℃，合成时间为40-50小时；

（3）合成完成后，将合成出的产品进行抛磨，即得；抛磨时，将合成出的籽晶在高精度抛磨机上对其（100）面进行精密的抛磨加工，使籽晶（100）晶面表面光洁度在△10以上同时籽晶（100）晶面的偏离角小于5°。

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