[发明专利]一种超硬材料的合成方法

说明书

本发明提供了一种超硬材料的合成方法，加热前驱体材料到高温并施加磁场，使前驱体材料转化为超硬材料。本申请所提供的超硬材料的合成方法，可以在磁场高温(MFHT)二元合成条件下的溶媒法合成和前驱体直接转化合成，还可以实现在磁场、压力和高温(MPHT)三元条件下合成，使前驱体到达极高的能级跃变条件。本发明方法简单，易于实现工业化规模生产，且生产设备较超高压高温简单、占地面积小，生产成本低，甚至可以取代背景技术的超高压合成超硬材料的方法。

技术领域

本发明涉及无机材料制备技术领域，具体而言，涉及一种超硬材料的合成方法。

背景技术

超硬材料，一般泛指为金刚石和立方氮化硼产品，碳化氮(C3N4)也归类于超硬材料。

金刚石，是在工程材料应用领域的习惯称谓，而在珠宝界则多称为钻石，它是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，摩氏硬度10，显微硬度10000kg/mm²，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。钻石可分为天然钻石和人造钻石，被誉为“材料之王”和“极限功能材料”，广泛应用于珠宝业、工业以及诸多高科技领域。

立方氮化硼(简称CBN)是一种自然界极为稀少、基本上只能由人工合成的无机晶体材料，是一种在机械加工领域已经得到广泛应用的超硬材料。而且CBN是典型的III-V族化合物，电子率1010Ωcm，导热率13W/(cm.K)，可以耐受1200℃的高温，并且具有最宽6.4eV的直接带隙，是十分优异的热导、光电和半导体材料，在微电子领域具有广泛应用前景。

人们受启于地球深部的碳在地球内部的高压高温条件下转变为金刚石的形成机理，是碳从低能级向金刚石结构的高能级转变需要超高压压力提供动力学条件和高温提供热力学条件。人们尝试用超高压高温方法来人工合成金刚石，获得成功并一直探索人工合成金刚石的各种方法。1955年，美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备，美国科学家霍尔等在1650℃和95000个大气压下，得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体，从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河。1963年12月6日，由我国自主研制的超高压六面顶设备研制成功了我国第一颗人造金刚石。经过六十年的发展，世界上利用超高压高温(HPHT)技术人工合成金刚石，已经形成了一个庞大的技术领域和产业。国外多采用“两面顶超高压高温”设备，我国超硬材料行业采用六面顶超高压高温设备的合成技术，其人造金刚石单晶产能规模已经达到200亿克拉，占世界总产量的90％左右，成为金刚石生产大国。

目前立方氮化硼也都是采用超高压高温合成方法进行工业化生产。1957年Wentorf首次人工合成立方氮化硼。在温度接近或高于1700℃，最低压强为11～12GPa时，由纯六方氮化硼(HBN)直接转变成立方氮化硼(CBN)。以硼酸铵盐作催化剂所需的温度和压力最低，在1500℃时所需压力为5GPa，而在压力为6GPa时其温度区间为600～700℃。

人们建立了碳和氮化硼的压力温度二元相图，并指导合成金刚石和立方氮化硼的方法吧，截止目前，人造金刚石生产方法大致分为“动压法”、“高温高压法”、“催化高压法”和“CVD法”等。而合成CBN则主要采用催化高压法。

动压法：动压法合成金刚石有三种方法，分别是冲击波法、爆轰波法和爆轰法。目前应用最多的是爆轰法，爆轰法的原料是高能炸药，温度和压力由炸药爆轰时的爆压、爆温提供。当负氧平衡炸药在密闭容器中爆轰的瞬间(约1微秒)，组成炸药的C、H、O、N中的碳分子一部分被炸药自身的氧氧化，未被氧化的富裕游离碳在晶变区的特定高温、超高压下就转变成纳米金刚石。在此温度压力下，碳元素呈液滴状，晶变为类球形纳米金刚石。目前该方法限于生产纳米金刚石材料。

高温高压法：石墨在大约13GPa以上的超高压和2000℃以上高温条件下，直接转变为金刚石。目前人类尚有建立起如此高的超高压静压力，由石墨直接转变为金刚石单晶体的生产实践，如日本爱媛大学研究人员与住友电器工业公司合作合成出的“媛石”。