粗颗粒高品级人造金刚石合成工艺研究及在地质工程中的应用

论文摘要

人造金刚石单晶作为人工合成超硬材料两种中的一种，以其特有的性能而具有非常重要的地位，起着其他材料不可替代的作用，并得到日益广泛的应用。当前，设备的大型化与粉末触媒是我国人造金刚石行业发展中取得较大进展的两个方面，而将这两个方面联系起来的合成工艺有着或多或少的不足，尤其是粗颗粒高品级人造金刚石单晶的合成工艺。六面顶压机是我国自主研发的一种高压合成设备。四十多年来的人造金刚石发展的历史，其研究的重要方向就是粗颗粒高品级人造金刚石单晶的合成，存在的主要问题是产品粒度难以满足市场的需求，限制了行业的进一步发展，因此，运用六面顶压机来研究粗颗粒高品级人造金刚石的合成工艺具有特别重要的意义。鉴于目前人造金刚石单晶合成中设备、工艺、原材料三者之间的研究现状及存在的问题，在导师的指导和前人工作的基础上，展开了本论文的研究。工作如下：1、系统地研究了叶腊石、触媒和石墨在超高压合成过程中各自的作用及对金刚石合成和合成金刚石的影响。2、从设备、腔体设计和工艺参数对粗颗粒高品级人造金刚石的合成进行了试验和分析讨论。3、研究了将合成出的金刚石单晶应用于制品的制造以及相应制品在实践工程中应用。论文创新点在于：1、通过（?）23mm腔体的实验和分析，提出了衡量六面顶压机高压腔体的密封性能和传压性能的理论：λ最大不能超过29．49％，λ值小，则密封性能好；△最小不能小于3．316mm，△值大，传压性能好。根据此理论，设计了（?）39mm的腔体的主体尺寸：顶锤，a=47mm，b：15mm，α=42°；叶腊石，L0=59mm。2、制造出了一种合成金刚石单晶用的控温控压装置。结果表明该装置能较好地控制合成所需要的温度和压力，能优化合成工艺。该装置适合合成粗颗粒高品级人造金刚石单晶。3、以合成稳定性为前提，对叶腊石大块的焙烧和烘烤进行了工艺改进。结果表明这种改进提高了合成的稳定性。4、在粉末合成工艺中，合成棒的制作工艺对金刚石的产量、性能有着很大的影响。当M：C为7：3时，合成棒的密度越大，金刚石的产量，质量都比较好。5、对当前Fe70Ni30粉末触媒合成金刚石进行了研究。研究结果表明，Fe70Ni30粉末触媒是合成粗颗粒高品级金刚石单晶的一种较好的原材料。6、应用金刚石晶体生长理论，采用自行研制的控制系统，用粉末工艺进行了合成时间达28min的合成实验，结果合成出30#-40#粒度的金刚石，其提取率超过30％，TTI值达80％左右7、利用以上设备、合成工艺合成出的高品级金刚石在地质钻头和锯片等方面具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金刚石的结构
• 1.1.1 原子结构
• 1.1.2 晶体结构
• 1.1.3 晶体形态
• 1.2 金刚石的性能
• 1.2.1 硬度
• 1.2.2 抗压强度
• 1.2.3 抗拉强度
• 1.2.4 金刚石的冲击强度（TI、TTI值）
• 1.3 人造金刚石的生产发展概况
• 1.4 本文研究的目的和内容
• 第二章 超高压合成技术及六面顶超高压设备
• 2.1 前言
• 2.2 超高压技术的研究
• 2.2.1 超高压技术的基本原理
• 2.2.2 实验
• 2.3 六面顶超高压设备
• 2.3.1 加压方式
• 2.3.2 高压设备的加温方式
• 2.3.3 控制系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 叶腊石合成材料的研究
• 3.1 前言
• 3.2 合成金刚石用叶腊石的研究
• 3.2.1 叶腊石的成分及组成
• 3.2.2 叶蜡石块成型制造工艺
• 3.2.3 叶腊石的焙烧
• 3.2.4 叶腊石的预处理研究
• 3.2.5 叶腊石对金刚石合成的影响
• 3.2.6 叶腊石对金刚石产品的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 合成金刚石用触媒材料的研究
• 4.1 前言
• 4.2 催化剂（触媒）促使石墨转变为金刚石的机理
• 4.3 触媒材料的选择原则
• 4.4 触媒材料对金刚石的影响
• 4.4.1 触媒对金刚石中杂质的影响
• 4.4.2 氧在触媒材料中对金刚石的影响
• 4.4.3 触媒材料对金刚石颜色的影响
• 4.4.4 触媒含量不同对金刚石产量的影响
• 4.4.5 触媒含量不同对金刚石质量的影响
• 4.4.6 触媒材料的粒度组成对金刚石的影响
• 4.5 触媒材料对金刚石合成温度和压力的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 合成金刚石用碳素材料（石墨）的研究
• 5.1 前言
• 5.2 石墨的结构
• 2杂化轨道与石墨结构的形成'>5.2.1 碳原子的sp²杂化轨道与石墨结构的形成
• 5.2.2 石墨的两种晶体结构
• 5.3 石墨转变为金刚石的机理
• 5.4 碳素原料的选择
• 5.5 试验
• 5.5.1 实验条件和结果
• 5.5.2 分析和讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 FeNi-C粉末块合成金刚石工艺研究
• 6.1 前言
• 6.2 金刚石合成的理论基础
• 6.2.1 碳的相图
• 6.2.2 合成曲面理论和质量方程
• 6.3 粉末工艺合成棒的制作
• 6.3.1 原材料
• 6.3.2 合成棒制作工艺流程
• 6.3.3 压制密度对金刚石的影响
• 6.4 合成工艺参数的研究
• 6.4.1 压力参数
• 6.4.2 合成温度（合成电流）
• 6.4.3 合成时间
• 6.5 压力和温度的匹配问题
• 6.6 本章小结
• -#40^#高品级金刚石合成实验'>第七章 30^-#40^#高品级金刚石合成实验
• 7.1 前言
• 7.2 （?）39mm粉末合成腔体的设计
• 7.2.1 硬质合金顶锤的设计
• 7.2.2 叶腊石尺寸的设计
• 7.2.3 （?）39mm粉末合成腔体组装结构设计
• 7.2.4 分析与讨论
• #-40^#粗粒度金刚石合成工艺实验'>7.3 高品级30^#-40^#粗粒度金刚石合成工艺实验
• 7.3.1 粗粒度高品级金刚石的物理特性
• 7.3.2 工艺实验参数
• 7.3.3 实验结果
• 7.3.4 分析与讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 金刚石应用于地质工程和石材工业
• 8.1 前言
• 8.2 金刚石锯片在石材工业中的应用
• 8.2.1 试验条件
• 8.2.2 配方中各组元在刀头中的作用
• 8.2.3 烧结工艺及其技术处理手段
• 8.2.4 实验结果
• 8.3 人造金刚石钻头
• 8.3.1 人造金刚石钻头的规格
• 8.3.2 人造金刚石钻头的配方
• 8.3.3 粗颗粒高品质金刚石应用于金刚石钻头室内试验
• 8.3.4 粗颗粒高品质金刚石应用于金刚石钻头现场试验
• 8.4 分析与讨论
• 8.5 本章小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢