滑块式六含八大腔体高压装置的温压标定及高压合成金刚石新触媒的发现

摘要

高压物理学是研究物质在高压作用下物理性质的一门学科，属于极端条件下的凝聚态物理学，其研究内容包括物质在高压下的力学、热学、光学、电学、磁学性质，以及物质的微观结构，状态方程，相变等等，也为发现新现象、新规律、高压下合成新材料提供理论和实验依据。高压研究依赖各种高压设备，在大腔体静态高压设备中，六含八多压砧高压装置能获得的温压条件范围较广，各种原位测量技术的配备，使其在材料学、地球与行星物理学、矿物学、岩石学等研究领域扮演着越来越重要的作用。本论文共分为两个部分，第一部分为滑块式六含八大腔体高压装置的调试和标定工作；第二部分为高压合成金刚石新触媒体系的探索和发现。
　　 (一)滑块式六含八大腔体高压装置调试和标定。
　　 以本实验室新建的滑块式六含八大腔体高压装置为对象，介绍了其独特的机体构架和高压模具的设计特点，一级压砧优异的同步性及实验的重复性，以及六含八式二级增压系统的样品组装。根据压砧的定位因素和挤压块受力形变特点，探索出快速校准一级压砧的方法，使得更换和校准压砧快捷而准确。并使用本实验室开发的加工夹具，成功地制作出叶腊石八面体传压介质、密封边等部件，还总结出用于高温高压实验的叶腊石的焙烧工艺条件。在此基础上，成功地利用金属Bi丝和半导体粉末ZnTe材料对12.5/8(八面体边长/二级压砧截角边长)样品组装进行了压力标定，标定点对应压力分别为2.55，7.7，9.6和12.0GPa；进而，在10GPa压力下，利用WRe3-WRe25热电偶将温度标定到1560℃，结合铁碳二元高压相图以及堵头处石墨加热炉转变为金刚石的温度点，验证了标定结果的正确性，给出样品腔内的轴向平均温度梯度约为21℃/mm。这些工作为本实验室六含八高压装置的应用打下了基础，可以对10mm3的样品在12.0GPa，2000℃的条件以内开展高温高压实验。
　　 (二)高压合成金刚石新触媒体系的探索和发现。
　　 金刚石具有多种优异的物理和化学特质：最高硬度，最高热导率，最宽的透光波段，禁带宽度宽，介电常数小，抗强碱和强酸腐蚀等等，使它成为不可替代的功能材料，被广泛应用在工业、科技、国防、装饰等许多领域。人工合成金刚石的方法有许多种，目前，高温高压触媒法仍然是主要的合成方法。在过去的几十年里所发现的触媒体系有多种类型，不同体系需要的温度压力条件也不相同，迄今报道的触媒的最高压力为8.5GPa。我们认为在更高压力条件下可能还存在新的触媒体系。于是，使用滑块式六含八大腔体高压装置，在压力9.0-9.6GPa，温度1600-1850℃的条件下，对锡(Sn)铅(Pb)合金、锑(Sb)、铋(Bi)、硒(Se)、碲(Te)等添加物与石墨共存体系展开了金刚石触媒探索实验。发现在9.6GPa，1800-1850℃的高压高温条件下，单质元素硒(Se)和碲(Te)分别对石墨转变成金刚石具有明显的触媒作用。保持条件不变，当合成时间由30min延长到60min时，金刚石成核量有明显增加，粒度平均尺寸提高近一倍，合成晶体形貌多为八面体。而Sn-Pb合金和Sb，Bi在相近实验范围内都没有这种作用。根据这些结果，参考理论计算值和相关参数，提出了关于Ⅵa族元素对石墨转变为金刚石的触媒机理的一种解释：氧族元素(O、S、Se、Te)具有相同的外壳层电子结构，有利于它们在高温高压下和碳原子发生氧化反应，生成碳的化合物(CX或CX2)，反应是可逆的，还原分解出的碳原子以金刚石相成核并生长，随着反应的持续，亚稳态石墨相的碳原子可以通过这种氧化-还原过程不断转化为金刚石相碳原子，促进金刚石的晶体生长。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1高压物理学概述

1.1.1高压物理学研究意义

1.1.2高压物理学的发展简介

1.2静高压实验技术

1.2.1对顶砧(opposed anvils)高压装置

1.2.2多项砧高压装置(multi-anvil apparatus)

1.3高压下的物性研究及应用

1.4论文的选题目的和意义

1.4.1滑块式六含八大腔体高压装置的温度压力标定

1.4.2金刚石新触媒体系的探索

1.5本论文各章节的主要内容

第2章滑块式六含八大腔体高压装置

2.1引言

2.2滑块式六含八大腔体高压装置的结构原理

2.2.1三柱式对称主体结构

2.2.2滑块式高压模具的结构原理

2.3滑块式一级压砧的定位及高压下的校准

2.3.1滑块式一级压砧定位的影响因素

2.3.2对滑块式一级压砧相对位置的高压下校准

2.4滑块式一级压砧的高压同步性简介

2.5单缸上顶式液压系统和加热系统性能简介

2.5.1单缸上顶式液压系统的稳定性、保压性和可控性

2.5.2功率控制系统的稳定性及加热系统性能

2.6八面体叶腊石、密封边的制作工艺

2.6.1车床专用正八面体加工夹具简介

2.6.2八面体叶腊石的制作

2.6.3正八面体叶腊石打磨中心孔夹具的设计和制作

2.6.4密封边模具的设计和制作

第3章滑块式六含八大腔体高压装置的压力温度标定

3.1静态压力的几种测量方法

3.1.1室温(25℃)下压力定点标准

3.1.2红宝石荧光测压法

3.1.3高温下压力的测量主法

3.2标定使用的原矿叶腊石传压介质的特性

3.2.1叶腊石传压介质的物性

3.2.2标定用叶腊石传压介质的高温焙烧

3.3滑块式六含八大腔体高压装置的压力标定

3.3.1压力标定样品的组装

3.3.2压力标定的加压原理及测量电路

3.3.3压力标定数据分析

3.4滑块式六含八大腔体高压装置的温度标定

3.4.1加热与测量电路

3.4.2温度标定的样品腔体组装

3.4.3温度标定数据分析

3.4.4样品腔体轴向温度梯度的估计

3.5本章小结

第4章高压合成金刚石新触媒体系的探索

4.1人工合成金刚石的研究现状

4.1.1金刚石的结构、性质、用途及分类

4.1.2人造金刚石的合成历史

4.1.3人工合成金刚石的方法

4.1.4触媒作用下用石墨合成金刚石的机理研究

4.1.5触媒作用下用石墨高压合成金刚石的几种方法的基本原理

4.2金刚石新触媒的探索与发现

4.2.1研究背景

4.2.2样品装置及实验过程

4.2.3样品检测与分析

4.2.4结果讨论

4.3Ⅵa主族元素高压下金刚石触媒机理探讨

4.4本章小结

第5章总结与展望

5.1全文研究的主要成果与创新之处

5.2存在的问题及今后的工作设想

致谢

参考文献

附录1纳米金刚石无助剂高压烧结行为

攻读博士学位期间发表的论文