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  • 金剛石合成中的另一個傳壓介質——白云石


    發布時間:

    2023-10-27

    在高溫高壓法合成金剛石工藝中,密封傳壓介質在人造金剛石的合成中起著非常重要的作用,合成金剛石所需要的高溫高壓的條件是靠密封傳壓介質來獲得的。我國對密封傳壓介質的應用,由最初的葉蠟石切割塊,到后來的葉蠟石粉壓塊,到目前在工業生產中廣泛使用的葉蠟石-白云石復合塊,這些都體現了我國密封傳壓介質的進步和發展。

    葉臘石的局限性

    傳壓介質在高溫高壓下具有穩定的物理化學性能是確保合成穩定的重要因素之一,眾所周知,目前合成金剛石密封傳壓介質所用的材料主要為葉蠟石,但是葉蠟石作為高溫高壓合成金剛石的傳壓介質存在著兩大主要缺陷:

    其一,高溫下發生相變,體積收縮;

    其二,高溫下會脫出結晶水。

    葉蠟石在高溫下相變會生成藍晶石,藍晶石不僅堅硬致密,而且具有較大的導熱系數,導致合成腔體內的溫度降低,同時由于體積收縮,導致合成腔體內壓力下降;葉蠟石在高溫下脫出的結晶水會進入高壓合成腔,對金剛石的生長極為不利,有可能在高電流的作用下電解成H2、 O2等氣體,引起合成腔體內部剪切力的破壞,而導致“放炮”事故的發生。于是,又出現了一種合成金剛石用的新型傳壓介質——白云石。

    白云石的輔助功能

    1、白云石內襯材料的三種組成材料:

    (1)白云巖,所占比例約70%--75%,還含有少量石英和方解石,但石英和方解石含量小于2%,基本為純白云巖。巖石破碎成粒徑小于1mm的顆粒。

    (2)葉蠟石,配比約占20%,由葉蠟石礦石破碎成粒徑小于0. 5mm的顆粒。

    (3)鐵質化合物材料,所占比例約5%,破碎粒徑小于0.1mm。

    上述三種材料混合均勻,加入粘結劑水玻璃,在制造傳壓密封材料時制成圓柱形襯管。白云石內襯材料化學成分為SiO2: 16. 44%,Al2O3:4.99% ,TiO2:0. 159% ,CaO:26.98% ,MgO:14.47%,Na2O:2.88%,K2O:0.72%,Fe2O3:2.21%,燒失量為34.62%。

    2、白云石與葉蠟石性能比較:

    白云石是碳酸鹽類礦物,白云石與葉蠟石的物理性質比較如下表所示。

    熱膨脹系數*(1/K)

    熱傳導率(J/s.cm.K)

    密度

    (g/cm3)

    高壓高溫處理后物相變化

    白云石

    2.7×10-5

    2.89

    微量

    葉蠟石

    7.6×10-6

    2.95

    注:*表示323~773K溫度范圍內的熱膨脹系數

    白云石不含結晶水,且在高溫高壓下非常穩定,沒有相變,分析表明,用于金剛石合成之后的樣品仍保持原來的物相,沒有碳酸鹽類物質的分解。此外,白云石的熱傳導率低于葉蠟石,因此,作為隔熱材料,白云石也將優于葉蠟石。采用白云石做傳壓介質,主要是利用它的高熱膨脹率的特點。但是,由于白云石的內摩擦系數小,不宜用做密封材料,因此在六面頂壓機上使用白云石做傳壓介質時,一般將其做成套管而裝在葉蠟石塊內,組成復合的密封傳壓介質。

    3、白云石用于金剛石合成的內襯材料

    白云石具有優良的絕緣絕熱性能和高熔點,在高溫高壓下白云石基本穩定,用于傳壓密封介質材料可以起到以下有利作用:

    (1)葉蠟石在高溫下產生相變時體積收縮,導致高壓腔內壓力有較大損失和產生較大的壓力梯度。而葉蠟石塊中加白云石內襯不僅可使葉蠟石相變層變薄,乃至清除。由于它在高溫高壓下物相穩定,無體積收縮,且熱膨脹系數為葉蠟石的三倍,在高溫下體積處于膨脹狀態,彌補了由于葉蠟石相變體積收縮而造成的合成腔內部壓力的損失。

    (2)由于白云石傳熱系數較小,因此白云石內襯材料在金剛石合成中可以起到保溫絕熱作用,可以阻止外層葉蠟石的相變脫水,降低了合成壓力,減少了合成腔中的壓力梯度,改善了合成腔內部的壓力分布,降低合成所需要的電流,從而降低了能耗。

    (3)白云石將脫出的水分以及葉蠟石中的SiO2等雜質成分隔離在高壓合成腔之外,減少雜質進入高壓腔內的可能性,起到凈化合成腔的作用,致使合成的金剛石色澤好,透明度高; 提高了金剛石的品質。

    (4)由于白云石具有較小的內摩擦系數,因此密封性較弱,只能做成內襯加在葉蠟石塊的內壁上,這種復合結構綜合了葉蠟石和白云石的優點,降低了合成金剛石對葉蠟石的要求,擴大了葉蠟石的選擇范圍。有可能使用不含葉蠟石的礦物原料制作新型傳壓密封材料的外層。如伊利石粘土、高嶺石粘土以及混合粘土等,因這些粘土礦物含結晶水和結構水較多,脫水后會造成較大的體積收縮以及水會對金剛石生長造成危害,過去認為是不適合制造合成金剛石的傳壓密封材料,但是有了白云石內襯材料,這些粘土礦物制造合成金剛石的傳壓密封材料就變得可以實現。這樣一來,大大擴大了傳壓密封材料選擇的范圍,可以徹底解決葉蠟石礦石的短缺,對金剛石行業的發展具有重大意義。

    (5)在傳壓密封材料制品中由于白云石及添加的鐵質化合物具有較高的內摩擦系數,密封性能得到提高。復合材料的應用使合成金剛石傳壓密封材料的整體工藝性能得到提高和優化,使合成過程變得更穩定,更易于控制,減少了頂錘消耗,提高了生產效率。

    (6)有利于金剛石后期的提純處理,由于除去葉蠟石需要用到火堿,且消耗量大、耗時長。而葉蠟石-白云石復合結構所含的葉蠟石料較少,白云石是碳酸鹽,在加酸除石墨階段就可以去除,故減少了火堿的使用量,減少了提純回收的工作量,其耗堿量只需單一葉蠟石塊合成金剛石的1/4。從而也降低了對環境的污染。

    (7)高溫高壓過程中,白云石微量分解,對合成金剛石可能更為有利。反應式可用下式表示:CaMg(C03)2+ Fe2O3+ 4SiO2→2( Mg,Fe,Ca)2Si2O6+ 2CO2

    由于反應是在高壓下進行,釋放的CO2不能排出,反應不能進行完全,只有微量的白云石發生分解,形成很少量的輝石,釋放的少量CO2封存在高壓腔中,使高壓腔充滿CO2氣體。CO2的存在一方面有可能使高壓腔壁面受力均勻,避免剪切破壞——“放炮”現象的發生,可以降低頂錘損耗,有利于提高生產效率;另一方面,CO2氣體高溫高壓下可能具有較高的反應活性,有可能與觸媒金屬、石墨等發生作用,可對金剛石生長過程的傳質起到一定的調控作用。

    目前,以葉蠟石為主體、白云石為內襯材料的這種復合結構的密封傳壓介質作用是多方面的,對合成優質、低耗、高產的金剛石是非常有利的。同時合成壓力、合成電流也有一定幅度的下降,并降低了錘耗,節約了成本,減少了環境污染,因而在工業生產中得到了廣泛的應用。


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