一种低压力下烧结碳纳米管直接合成金刚石的方法

摘要

一种低压力下烧结碳纳米管直接合成金刚石的方法，它涉及由碳纳米管合成金刚石的方法。本发明烧结电流为1000A－3000A的脉冲直流电，电压为2V－5V的低电压；最终烧结温度设置为1200℃－2000℃，到达烧结温度时迅速升高压力至60MPa～100MPa，进入保温阶段，保温时间20－180分钟。本发明用放电等离子烧结(SPS)碳纳米管合成金刚石，不需要催化剂，所需压力最低的仅需60MPa，合成速度快，每炉最快只需约40分钟，降低了能量消耗，提高了生产效率，所得样品尺寸大，金刚石产品中即有单晶也有聚晶颗粒，直径从几十纳米到几十微米，工艺简单，容易操作，产品质量易于控制。

说明书

技术领域：

本发明涉及由碳纳米管合成金刚石的方法。

背景技术：

金刚石又名钻石，是世界上目前已知的最硬的物质，是地球上一种罕见的矿物。古代，金刚石就被当作珍贵的装饰品和纪念品；到近代，金刚石各种特殊的性能和使用价值才被发现，开始了多方面的工业应用研究，目前已逐渐成为切削、钻探、抗磨、特殊仪器元件等方面的首选材料，在机械加工、电子电器、光学玻璃和宝石加工、钻探和开采、建筑与建材等工业应用十分广泛。18世纪末，英国科学家首先发现金刚石是碳的一种结晶形态，与石墨同为晶态碳的同素异形体，于是人造金刚石的研究逐渐发展起来。1955年美国物理化学家在人类历史上首次实现了石墨超高压合成金刚石，随后静压触媒法、爆炸合成法、亚稳态生长法等发展起来。1985年，美国科学家发现了富勒烯C₆₀，1991年日本专家发现了碳纳米管，分别为晶态碳的第三、四种同素异形体。碳纳米管具有优异的力学性能和物理性能，从其被发现至今，一直是各国科学家在纳米科技领域的研究热点之一。由于富勒烯和碳纳米管的能量状态高于石墨低于金刚石，因此从富勒烯和碳纳米管转变为金刚石比石墨更容易进行。有关研究发现C₆₀和碳纳米管在一定的压力和温度下都可以转变为金刚石。但碳纳米管相对于C₆₀来讲，成本较低，更容易大量生产，进入工业化应用。目前碳纳米管合成金刚石的方法有：化学气相合成法，此方法仅限于制备金刚石薄膜产品；激光辐照法，采用CO₂激光器，激光功率密度达10⁴W/cm²，通过激光和淬火处理，碳纳米管可以在铸铁基体上部分转变成金刚石；高温高压合成法，在温度1500℃，压力5-6GPa下(不用催化剂)或者在温度1300℃，压力4.5GPa下(用NiMnCo做催化剂)，碳纳米管可以部分转变为金刚石，或者将碳纳米管镀上一层Ni，在温度1600℃，压力8GPa下，碳纳米管也可以部分转变为金刚石(不用催化剂)，所需要的GPa量级的高压通常用六面顶压机或两面顶压机等设备来实现，对设备要求高，所得样品体积小；冲击波爆炸法，通过冲击波爆炸产生的瞬时压力(可达25GPa)来合成金刚石，但工艺不好控制，转化率较低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种低压力下烧结碳纳米管直接合成金刚石的方法，这种方法和已有技术相比，具有合成压力低、合成效率高的特点。本发明的工艺步骤是：一、将称量好的碳纳米管倒入垫好石墨保护纸的模具中装配好，装入放电等离子烧结炉中，抽真空后，加轴向初压开始烧结；二、放电等离子烧结升温，烧结电流为1000A-3000A的脉冲直流电，电压为2V-5V的低电压；三、最终烧结温度设置为1200℃-2000℃，到达烧结温度时迅速升高压力至60MPa～100MPa，进入保温阶段，保温时间20-180分钟；四、随后关掉放电等离子烧结炉电源开关，随炉自然冷却到600℃将压力降低到3-5MPa，至室温后出炉，取出样品，磨掉表面石墨纸，放入浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中腐蚀，然后用清水反复冲洗干净，即得到金刚石产品。本发明用放电等离子烧结(SPS)碳纳米管合成金刚石，不需要催化剂，所需压力最低的仅需60MPa，合成速度快，每炉最快只需40分钟，降低了能量消耗，提高了生产效率，所得样品尺寸大，金刚石产品中即有单晶也有聚晶颗粒，直径从几十纳米到几十微米，工艺简单，容易操作，产品质量易于控制。

附图说明：

图1是放电等离子烧结碳纳米管合成金刚石的装置示意图，图2是碳纳米管经SPS烧结后样品表面的扫描电镜照片，图3是拉曼光谱表征图，拉曼光谱图中1332cm^-1为金刚石的特征峰，1587cm^-1为未发生转变的碳纳米管的峰，图4是碳纳米管经SPS烧结后样品中的聚晶金刚石扫描电镜照片，图5是图4的拉曼光谱图，图6是碳纳米管径SPS烧结后样品中较大的金刚石晶体电镜照片，图7是金刚石晶体表面纹理电镜照片，图8和图9是碳纳米管经SPS烧结后样品中金刚石分布较稀疏情况的电镜照片，图10是碳纳米管经SPS烧结后样品中金刚石分布较密集情况的电镜照片。其中图1中1为模具外套，2为模具冲头，3为石墨板，4为动力缸，5为样品，6为光学高温计，7为真空室。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式的工艺步骤是：一、将称量好的碳纳米管倒入垫好石墨保护纸的模具中装配好，装入放电等离子烧结炉中，抽真空后，加轴向初压开始烧结；二、放电等离子烧结升温，烧结电流为1000A-3000A的脉冲直流电，电压为2V-5V的低电压；三、最终烧结温度设置为1200℃-2000℃，到达烧结温度时迅速升高压力至60MPa～100MPa，进入保温阶段，保温时间20-180分钟；四、随后关掉放电等离子烧结炉电源开关，随炉自然冷却到600℃将压力降低到3-5MPa，至室温后出炉，取出样品，磨掉表面石墨纸，放入浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中腐蚀，然后用清水反复冲洗干净，即得到金刚石产品。所述碳纳米管为多壁碳纳米管(里面含有少量的单壁碳管)，纯度大于95％，含有极少量的Ni、La等金属元素杂质。所述步骤一中烧结炉抽真空为≤6Pa；所述步骤一中初压为3-5MPa；所述步骤二中放电等离子烧结升温速率为60-250K/min；所述放电等离子烧结炉的设备生产厂家为日本住友公司，该烧结炉用来烧结陶瓷、金属陶瓷，梯度复合材料，面向全球销售该设备。