含硼金刚石单晶的合成工艺与热学性能表征

摘要

含硼金刚石具有优异的耐蚀性、导热性、半导体特性等性能，在军工、空间技术等领域有广泛的用途和良好的使用效果；含硼金刚石的耐磨性与研磨性好，特别适用于研磨硬韧材料，工业应用前景十分广阔。采用低廉原料和简便方法制备出片状铁基触媒，在高温高压下合成出优质含硼金刚石，并进一步对其半导体特性进行研究，对于改善人造金刚石晶体的结构和性能，拓展其应用范围和提高使用效果具有重要的现实意义。
　　 根据硼源物质以及微量元素的种类，合理设计试验中影响因素的数量，确定多种硼源以及多元微量元素在铁基触媒中的添加量，制成含硼铁基触媒，同时进行多种成分配比试验，即可减小环境因素影响，又可节约成本，获得良好的应用效果。采用热分析方法对合成金刚石单晶进行表征，测量样品的热效应和失重与加热温度的关系，计算金刚石单晶发生剧烈氧化反应的表观活化能，可以对比分析掺硼量对含硼金刚石单晶热稳定性的影响，为触媒成分设计提供理论分析依据。
　　 本文以单质金属为主要原材料制备出片状含硼粉末冶金铁基触媒，并按优化的金刚石合成工艺制备出高品位含硼金刚石单晶。对含硼金刚石单晶进行热分析，并采用多重扫描速率法计算其发生剧烈氧化反应时的表观活化能，探讨了硼含量与金刚石单晶热稳定性的相关性。
　　 含硼粉末冶金铁基触媒是以单质金属为主要原材料，实验选用的单质铁粉、单质镍粉、石墨粉以及多种掺硼剂。经过化学分析方法对粉末材料的主要成分进行分析；采用D/max-yc型X射线衍射仪标定粉末材料的物相组成；用IRO-II型红外定氧分析仪检测粉末材料的含氧量。粉末材料的检测结果符合相关国家标准，可用于制备含硼粉末冶金铁基触媒。
　　 根据试验要求，碳片与触媒厚度比为2.4-2.7，按照片状触媒制备工艺流程微量添加掺硼剂，制备得到含硼粉末冶金铁基触媒。通过对金刚石合成压机控制系统的改造，精确控制合成块两次暂停升压，提前送温以及合成压力、功率实现动态匹配。保证合成腔体内的压力和温度在金刚石理想生长区内，合成出高品位含硼金刚石。
　　 根据测定金刚石单晶的DTA实验数据，利用Kissinger动力学模型计算常规金刚石单晶和含硼金刚石单晶剧烈氧化时的表观活化能分别为165.34KJ/mol和428.37KJ/mol。利用Ozawa动力学模型计算两种金刚石单晶剧烈氧化时的表观活化能分别为170.37KJ/mol和423.20KJ/mol，证明含硼金刚石单晶的表观活化能明显高于常规金刚石单晶，因此具有更高的热稳定性。两种动力学模型计算结果相近，说明表观活化能的计算数值基本可信。
　　 根据测定不同硼含量金刚石单晶剧烈氧化时的表观活化能的数据，DTA、TG的数据与表观活化能计算的结果具有一致性。硼含量低的样品热稳定性最差，但是热稳定性的变化并不与掺硼量单纯成正比，存在一个相对最佳的掺硼量值。含硼金刚石单晶样品在剧烈氧化时，其表观活化能随着掺硼量增加而减小，表明硼的掺入量过高并不有利于提高金刚石单晶的抗氧化性能。因此，应进一步优化铁基触媒中的碳化硼掺入量，合成出具有更高热稳定性的含硼金刚石单晶。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 选题的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 含硼金刚石的结构

1.2.2 含硼金刚石的性能

1.2.3 含硼金刚石的人工合成

1.2.4 人工合成金刚石的触媒

1.3 技术路线

1.3.1 总体思路

1.3.2 含硼铁基触媒的成分设计

1.3.3 含硼金刚石单晶在Fe-Ni-C-B系中相对优化生长区间的确定

第2章 试验材料和方法

2.1 合成含硼金刚石的原材料

2.1.1 触媒的主要原材料

2.1.2 触媒原材料的质量控制

2.1.3 石墨

2.1.4 叶蜡石粉压块

2.1.5 导电钢圈

2.2 含硼金刚石合成设备

2.3 含硼金刚石性能检测

2.3.1 含硼金刚石的粒度组成

2.3.2 含硼金刚石的晶形分布

2.3.3 金刚石单晶的静压强度

2.3.4 金刚石的形貌观察与品质分析

2.3.5 含硼金刚石的热稳定性

第3章 含硼金刚石的合成工艺

3.1 掺硼触媒的制备

3.1.1 单质铁粉

3.1.2 单质镍粉

3.3.3 石墨粉

3.1.4 掺硼剂

3.1.5 碳片与触媒厚度比

3.1.6 含硼触媒制备工艺

3.2 含硼金刚石合成工艺

3.2.1 叶腊石烘烤工艺

3.2.2 合成块组装

3.2.3 含硼金刚石生长条件

3.2.4 含硼金刚石合成工艺参数

3.2.5 金刚石提纯工艺

3.3 本章小结

第4章 含硼金刚石单晶的热力学表征

4.1 Kissinger和Ozawa动力学模型

4.1.1 Kissinger方程

4.1.2 0zawa方程

4.2 金刚石单晶的表观活化能

4.2.1 金刚石单晶的选取

4.2.2 DTA数据的测量

4.2.3 表观活化能数值计算

4.2.4 小结

4.3 不同硼含量金刚石单晶的表观活化能

4.3.1 不同硼含量金刚石单晶

4.3.2 DTA数据的测量

4.3.3 表观活化能的计算

4.3.4 小结

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间获奖情况

学位论文评阅及答辩情况表