[发明专利]一种宝石级人造金刚石单晶用催化剂的制备方法及催化剂

说明书

本发明涉及一种宝石级人造金刚石单晶用催化剂的制备方法及催化剂，所述金属催化剂为Fe‑Ni‑Ti‑Cu系催化剂合金或者Fe‑Ni‑Al‑Cu系催化剂合金，其制备方法包括原料选择及配比，筛分获得不同粒度级配并根据不同级配进行配料并混合均匀，然后进行温压成型；控制温压工艺使得成型坯的相对密度为70‑80％；将成型坯进行高温氢还原烧结，使得烧结后的圆柱形催化剂的相对密度达到99％以上；然后进行冷却和存储。本发明的圆柱催化剂可以提高除氮效率并可以减少包裹体的形成，可提高宝石级人造金刚石单晶的生长速度和净度指标。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种宝石级人造金刚石单晶用催化剂的制备方法及催化剂。

背景技术

在采用六面顶、BARS(无压机分球式超高压合成装置)等超高压设备生长宝石级人造金刚石单晶时，一般采用图1所示的结构耗材组成的立方体(简称合成块)。其中包括碳化钨压砧1，叶蜡石传压介质2，石墨加热管3，MgO盖子4，碳源5，MgO管6，金属催化剂7，晶种8，MgO晶床9和导电钢帽10。工作时超高压设备的碳化钨压砧1受压力源推动，从上下、前后、左右六个方向均匀挤压合成块，合成块外围的叶蜡石传压介质9发生变形、流动，形成密封边。密封边与碳化钨压砧1内表面构成密封的合成腔体，并在合成腔体中心处达到金刚石单晶生长需要的5.5GPa左右的合成压强；设备外部的低压大电流电源，通过上、下碳化钨压砧1、导电钢帽10、导电垫片等构成的回路，对合成块中心处的石墨加热管施加数百-数千安培的加热电流，在合成腔体中心处达到金刚石单晶生长需要的1500℃左右的合成温度，使Fe、Ni等金属催化剂完全融化；并在图1中的碳源与晶种之间形成约5–40℃/mm的温度梯度。

单晶生长时，低温端晶种上方催化剂熔体中溶解的碳原子在晶种表面析出，形成金刚石单晶；造成熔体中碳原子浓度降低。同时高温端碳源中的碳原子不断溶解到催化剂熔体中，在温度梯度的推动下运动到低温端，补充催化剂熔体中析出的碳原子，使单晶生长过程持续进行。

一般情况下，碳源、催化剂中含有微量氮原子，在单晶生长过程中，氮杂质会进入金刚石单晶内部，形成缺陷，使金刚石单晶呈黄色。

为了获得无色金刚石单晶，目前采取在金属催化剂中加入微量金属Ti(或Al)，作为除氮剂。除氮剂具有较高的化学活性，在催化剂融化后，首先与氮反应生成不溶于催化剂的TiN(AlN)固体微颗粒。

在金刚石单晶生长过程中，TiN(AlN)颗粒容易进入单晶内部，形成包裹体，影响单晶质量。为了减少TiN(AlN)包裹体，常在催化剂中加入少量Cu。Cu熔体对TiN(AlN)颗粒有一定的溶解作用，减少了TiN(AlN)固体微颗粒的形成。

由于不存在商业化生产的Fe-Ni-Ti(Al)-Cu合金，目前在生产宝石级人造金刚石单晶时常采用图2的催化剂及组装方式。图中，6′为FeNi合金，11为Ti箔，12为铜箔。

其中FeNi合金催化剂采用FeNi20或FeNi30牌号坡莫合金棒材原料，经车削获得预定的直径及高度；Ti(Cu)按其在合金中所占质量比，采用一定厚度的，商业化生产的Ti(Cu)箔裁剪而成。

采用上述催化剂存在2个问题：

第一个问题是：在催化剂融化后，金刚石单晶开始生长初期，由于催化剂中的Fe-Ni-Cu-Ti(Al)合金中各元素微观分布不均匀，在低含量Ti(Al)微区，杂质氮原子不易去除，造成金刚石单晶颜色发黄；在Ti(Al)富集微区，易形成微量Ti(Al)碳化物，并进入金刚石单晶内部形成包裹体杂质。目前对上述问题的解决办法是在金属催化剂中加入一定过量的Ti(Al)，如催化剂中Ti质量百分比可达10％，同时通过降低温度梯度的方法降低单晶生长速度。这样可在单晶生长初期确保氮杂质的去除，同时又显著减少金刚石晶体中包裹体含量。但这样带来的弊端是在生长单晶的整个过程中，为了避免晶体中形成包裹体，只能采用较低的单晶生长速度。例如目前国内在六面顶高压设备上一次生长多颗0.1克拉/粒无色钻石时，单晶生长速度约为0.1克拉/30小时。