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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

李启泉  
【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,L_0=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Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒合成金刚石进行了研究。研究结果表明,Fe_(70)Ni_(30)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。


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