[发明专利]制备人造钻石的方法

说明书

本发明涉及一种制备钻石的方法，该方法包括：制备含有纳米结构碳质材料和过渡金属的含碳粉末和热处理该粉末的步骤。所述含碳粉末是通过在熔盐中电化学腐蚀石墨制得的，在所述电化学腐蚀期间所述过渡金属被并入至所述含碳粉末中。热处理含碳粉末的步骤是在350‑300℃的温度和1GPa以下的压力下的非氧化气氛中进行的。该方法使得钻石可以在低压和低温下制得。

技术领域

本发明涉及一种从石墨原材料制备钻石的方法。将该石墨在熔盐中进行电化学腐蚀以制得含碳粉末，并将该含碳粉末在非氧化气氛中进行热处理以制得人造钻石。

背景技术

钻石是具有最佳特质的碳的同素异形体之一。其具有多种材料特性的独特组合，包括众所周知的最高的硬度、优越的导热性、高化学惰性、良好的生物相容性和较宽的光传输范围。由于其具有极高的硬度，钻石被广泛地应用于工具中作为切割和耐磨材料。钻石还在石油和其它工业中用作抗侵蚀试剂、在光学和电子行业中用作抛光材料以及在真空摩擦学中用作润滑剂。

钻石的其它应用包括在激光器中用作透射窗，在光电子和半导体器件中用于传感成像(sensing and imaging)和散热器(heat-spreaders)，在电化学装置例如双电层电容器中的应用，在微电子机械系统(MEMS)中的应用，作为医学植入材料，在给药体系中作为载体成分，以及在核领域中的应用。

钻石还用于改善高级复合材料的性能，因其具有高硬度和导热性和/或其具有低热膨胀系数。例如，将纳米钻石粉末掺入至有机化合物例如聚乙烯醇、聚丙交酯和环氧树脂中将为复合材料带来改善的机械性能和导热性。此外，钻石/Al、钻石/SiC/Al、钻石/Cu、钻石/碳纳米管和钻石/热解碳的复合材料具有多种应用，例如场发射装置、电子封装和散热器(heat sinks)。

将石墨转变成钻石是学术界和工业界都极其感兴趣的，并且长期以来被大量研究作为课题。碳的相图显示钻石是一种在超过数GPa的压力下在较宽范围的温度内仍然热力学稳定的碳的同素异形体。然而，钻石也可以在环境压力下存在亚稳相(metastablephase)。

尽管石墨可以直接转化为钻石，但是这需要极高的压力和温度来克服大量的活化能，该活化能是破坏石墨结构中的sp²-键和形成钻石结构中的新的sp³-键所必要的。已知的是sp²-石墨向sp³-钻石的直接转变会在3000℃的高温和12GPa的高压下发生。

在1950年代，发现了熔融的过渡金属例如Fe、Co、Ni和它们的合金可以溶解碳，然后可以在钻石的热力学稳定区域内的高压和高温(HPHT)条件下沉积钻石。所需的典型的压力为5-6GPa，温度至少为1300℃。在该过程中，金属基质(metallic medium)作为溶剂-催化剂降低了活化能，从而降低了石墨-钻石转变的压力-温度条件。

钻石可以通过化学气相沉积(CVD)法在较低压力下制备得到。CVD法采用含碳气体和氢气的热混合物在基底上沉积钻石。通过采用钻石晶种和CVD法可以制得宝石级的人造钻石。

在1990年代，已证实Li、Na、K、Cs、Mg、Ca和Sr的熔融碳酸盐也可以用作溶剂-催化剂以在5-8GPa和1600-2150℃的典型HPHT条件下由石墨形成钻石。随后，多种其它的无机熔体包括碱金属卤化物例如LiCl和含有多于一种成分的混合体系已被成功地在类似的实验条件下进行使用。在所有的情况中，采用HPHT条件都认定为成功转变的至关重要的先决条件。