一种六方金刚石及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种六方金刚石及其制备方法，涉及金刚石制备的技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种六方金刚石及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金刚石制备的
，尤其涉及一种六方金刚石及其制备方法
。

技术介绍

[0002]金刚石是地球上最坚硬的天然物质之一，也是最知名和最珍贵的宝石之一
。
它由纯碳元素组成，具有独特的晶体结构和卓越的物理特性
。
金刚石因其卓越的硬度而受到广泛关注
。
它在莫氏硬度尺度上的评级为
10
，是最高级别的硬度，这使得金刚石成为许多工业和科学领域的理想材料，尤其是用于切割
、
磨削和研磨工具的制造
。
金刚石的硬度使其能够在极端条件下保持稳定，抵抗磨损和腐蚀
。
金刚石的性质源于其独特的
sp3杂化结构，每个碳原子都以
sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体
。
具有
sp3杂化结构的碳具有两种晶体形式，被命名为立方金刚石
(CD)
以及六方金刚石
(HD)。
其中，六方金刚石由于其结构的优越性具有比立方金刚石更优越的机械性能
。
然而，由于其制备难度大，目前对其的研究还比较有限
。
[0003]几十年来，石墨到金刚石的相变过程一直是一个受到广泛关注的主题
。
石墨和金刚石是碳的两种不同晶体形式，它们具有不同的晶体结构和物理特性
。
石墨是一种层状结构的物质，其晶体结构由碳原子形成的六角形层堆叠而成，这使得石墨具有良好的导电性和润滑性
。
而金刚石则是由碳原子紧密排列形成的立方晶体结构，具有卓越的硬度和光学透明性
。
石墨和金刚石之间的相变是一种重要的物理现象，被称为石墨
‑
金刚石相变，这种相变在地球内部深处的高温高压条件下发生
。
当碳原子暴露于极端的高温高压环境下时，它们会重新排列并形成金刚石结构，从而实现从石墨向金刚石的相变
。
石墨
‑
金刚石相变在地质学中具有重要意义
。
这种相变是构成地球内部的岩石和矿物形成的基础
。
通过研究石墨
‑
金刚石相变过程，地质学家能够深入了解地球内部的高温高压条件，并推断地球的内部结构和演化历史
。
[0004]此外，石墨
‑
金刚石相变也在实验室中进行研究和应用
。
科学家们通过模拟地幔的高温高压条件，以及利用强大的压力装置和高温炉，成功地实现了石墨向金刚石的相变
。
这为材料科学和高压物理学领域提供了有关相变过程和金刚石的性质的重要信息
。
[0005]然而，目前为止关于六方金刚石的制备技术都需要使用高温高压条件，操作和控制过程具备相当的复杂度，且设备和材料成本较高
。
此外，金刚石的合成过程需要耗费大量时间和能源，并且存在一定的失败率
。
现有技术通过在高温高压下使用
DAC
对单晶石墨盘进行处理得到六方金刚石样品，这是一个复杂且高成本的制备过程，制备技术仍存在一定局限性，难以达到量产的标准
。
并且，由于制备条件限制，现有技术中所使用的样品是大小为
60
×
20
微米的圆盘形状大小的单晶石墨样品，对应制备得到晶体质量较小
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供了一种六方金刚石及其制备方法
。
本专利技术通过可视化手段和数据分析手段，实现同时在宏观和微观层面
、
图像与数值层
面综合解释材料的相变机理，阐明不同实验条件出现不同产物的本质原因，解释实验中六方金刚石产量少且多数为孪晶的原因，并根据相变机理提出大规模合成六方金刚石的实验方案
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种六方金刚石的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)
施加准单轴压力：在三个维度
x
‑
y
‑
z
的方向上对石墨材料施加压力，其中，所述
x
方向的压力为
12
‑
40GPa
，
y
方向的压力为
12
‑
40GPa
，
z
方向的压力为
15
‑
50GPa
，且所述
z
方向的压力大于
x
方向和
y
方向的压力；
[0010](2)
加热升温：对石墨材料加热升温到
300
‑
2000K
，保持时间为
1min
‑
5h
，即制得六方金刚石
。
[0011]本专利技术中，先对石墨材料在三个维度施加不同的压力，形成准单轴压力，使得石墨材料在最大受力方向上表现出与其他两个方向不同的响应；然后对石墨材料进行加热升温，制得六方金刚石
。
本专利技术制备得到的六方金刚石具有高纯度
、
良好的晶体结构
。
[0012]优选地，所述步骤
(2)
中先对石墨材料的中心区域加热至
900
‑
2000K
，周边区域温度保持在
300
‑
900K
，保持
1min
‑
2h
，再对石墨材料进行整体加热升温至
900
‑
1600K
，保持
1min
‑
3h
，即制得六方金刚石
。
[0013]本专利技术采用先对石墨材料进行局部升温，石墨材料形成温度梯度，加热区域的温度处于高温高压状态，周边区域的温度处于高压低温的状态，石墨材料在局部高温下形成温场应力，六方金刚石成核；当六方金刚石成核后，改为整体加热升温，驱动金刚石核生长，即制得六方金刚石
。
采用局部升温的方式可以降低施加的压力，使得石墨材料在较小的压力强度下也能发生相变，制得的六方金刚石具有更高的纯度和更好的晶体结构
。
[0014]优选地，所述步骤
(1)
中
x
方向的压力与
y
方向的压力相同
。
[0015]优选地，所述步骤
(1)
中
x
方向的压力为
15
‑
25GPa
，
y
方向的压力为
15
‑
25GPa
，
z
方向的压力为
18
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种六方金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
施加准单轴压力：在三个维度
x
‑
y
‑
z
的方向上对石墨材料施加压力，其中，所述
x
方向的压力为
12
‑
40GPa
，
y
方向的压力为
12
‑
40GPa
，
z
方向的压力为
15
‑
50GPa
，且所述
z
方向的压力大于
x
方向和
y
方向的压力；
(2)
加热升温：对石墨材料加热升温到
300
‑
2000K
，保持时间为
1min
‑
5h
，即制得六方金刚石
。2.
如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤
(2)
中先对石墨材料的中心区域加热至
900
‑
2000K
，周边区域温度保持在
300
‑
900K
，保持
1min
‑
2h
，再对石墨材料进行整体加热升温至
900
‑
1600K
，保持
1min
‑
3h
，即制得六方金刚石
。3.
如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法其特征在于，所述步骤
(1)
中
x
方向的压力与
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱升财，陈顾文，邓溥，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：