高溫高壓Fe-Ni-C-B系中含硼金剛石單晶合成機(jī)理研究(下)

李和勝,李木森,宮建紅

(1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東濟(jì)南250061; 2.山東大學(xué)(威海)機(jī)電與信息工程學(xué)院,山東威海264209)

高溫高壓Fe-Ni-C-B系中含硼金剛石單晶合成機(jī)理研究(下)

李和勝1,李木森1,宮建紅2

(1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東濟(jì)南250061; 2.山東大學(xué)(威海)機(jī)電與信息工程學(xué)院,山東威海264209)

采用現(xiàn)代材料分析測(cè)試方法,通過對(duì)高溫高壓Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金剛石單晶及其金屬包覆膜進(jìn)行系統(tǒng)分析和表征,探尋含硼金剛石合成機(jī)理及生長(zhǎng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),添加在金屬觸媒中的硼以金屬-碳-硼化合物的形式溶入金屬包覆膜,作為含硼金剛石生長(zhǎng)的直接碳/硼源,經(jīng)金屬中間相的催化,析出活性碳/硼原子(團(tuán))擴(kuò)散至正在生長(zhǎng)的金剛石單晶表面,促進(jìn)金剛石的生長(zhǎng)。而含硼金剛石則以一種層狀生長(zhǎng)的方式長(zhǎng)大,這種層狀生長(zhǎng)的臺(tái)階來源前期以二維晶核為主,后期則以位錯(cuò)為主?；钚蕴?硼原子(團(tuán))擴(kuò)散到達(dá)金剛石單晶表面,在生長(zhǎng)臺(tái)階的前端被吸附,轉(zhuǎn)變成為金剛石單晶的一部分。隨著臺(tái)階的不斷擴(kuò)展,新的生長(zhǎng)臺(tái)階在剛長(zhǎng)成的晶面上繼續(xù)形成,含硼金剛石單晶則以層狀堆疊的方式完成長(zhǎng)大過程。

高溫高壓;Fe-Ni-C-B系;含硼金剛石;合成機(jī)理

2.2 含硼金剛石金屬包覆膜成分分析

使用配有ISIS300能譜儀的JXA-8800R型電子探針(EPMA)對(duì)合成含硼金剛石單晶之后留在合成壓塊斷面上的金屬包覆膜的成分進(jìn)行線掃描,藉以解釋硼擴(kuò)散進(jìn)入含硼金剛石的路徑信息。

圖7為形狀較為完整的殘留在石墨基體上的金屬包覆膜在EPMA下的背散射電子形貌圖像(a)及其對(duì)應(yīng)金剛石(100)晶面的局部放大圖(b)。

由圖7可以看出,金屬包覆膜的厚度約為十幾微米,與金剛石的界面處較為齊整,但與石墨基體沒有明顯的界面。取金屬包覆膜對(duì)應(yīng)金剛石(100)晶面的位置,即圖7(b)所示位置,自金屬包覆膜靠近石墨一側(cè)開始到與金剛石的界面處,對(duì)其橫斷面上的主要幾種元素的分布做線掃描,結(jié)果如圖8所示。

圖7 金屬包覆膜的背散射電子形貌像(a)及對(duì)應(yīng)金剛石(100)面的局部(b)Fig.7 Backscattered electron morphology image of the metallic film(a)and its partial magnified image of the corresponding diamond(100)surface(b)

由圖8可以明顯地看出,自石墨基體到包覆膜/金剛石界面處,包覆膜橫斷面上的碳含量是逐漸減少的。金屬鐵、鎳的含量在整個(gè)金屬包覆膜上基本穩(wěn)定。值得注意的是,硼元素含量的變化趨勢(shì)基本與碳相同,靠近金剛石的包覆膜內(nèi)層硼的含量要小于靠近石墨一側(cè)的外層和中間層。相對(duì)而言,在包覆膜靠近金剛石的內(nèi)層金屬的含量要遠(yuǎn)高于碳和硼。

為了說明上述結(jié)果的代表性,使用同樣的方法對(duì)金屬包覆膜對(duì)應(yīng)金剛石(111)的面的局部也進(jìn)行了上述同樣的分析。所獲得的元素分布趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)(100)晶面的結(jié)果基本相同。

分析認(rèn)為,在靠近金剛石的包覆膜內(nèi)層主要存在的物相還是以鐵為基的固溶體,如γ-(Fe,Ni)。當(dāng)然,這里所指的γ-(Fe,Ni)主要有兩個(gè)來源:一是金屬包覆膜本身固有的物相;二是含硼的金屬碳化物分解之后的產(chǎn)物。因?yàn)?含硼的金屬碳化物,如(Fe, Ni)3(C,B),在擴(kuò)散到達(dá)金屬包覆膜內(nèi)層后,受金屬中間相γ-(Fe,Ni)的吸引,會(huì)發(fā)生分解,析出活性的碳原子和硼原子(也有可能是碳和硼的原子集團(tuán)),自身轉(zhuǎn)變成γ-(Fe,Ni)。而析出的活性的碳原子和硼原子自包覆膜中脫溶析出,沉積到金剛石晶體表面,造成包覆膜內(nèi)層金屬(主要是鐵)的含量相對(duì)偏高,而碳和硼含量相對(duì)偏低。

圖8 碳、鐵、鎳、硼在金屬包覆膜對(duì)應(yīng)金剛石(100)面的橫斷面上的線分布(由左到右為由石墨基體到金剛石/包覆膜界面)Fig.8 Linear distributions of C,Fe,Ni and B on the cross section of the corresponding diamond(100)surface(from left to right is the graphite matrix and diamond/surrounded metallic film interface)

3 含硼金剛石生長(zhǎng)機(jī)制

在高溫高壓合成金剛石的過程中人為終止金剛石的生長(zhǎng)過程,對(duì)合成壓塊進(jìn)行淬火處理,將金剛石生長(zhǎng)的相關(guān)信息“凍結(jié)”下來,保留至室溫,采用現(xiàn)代材料分析測(cè)試方法對(duì)金剛石及其金屬包覆膜形貌進(jìn)行系統(tǒng)的表征,藉以獲取金剛石生長(zhǎng)的相關(guān)細(xì)節(jié)信息。

圖9為合成時(shí)間為480s時(shí)金剛石單晶(100)晶面的SEM形貌圖像。

由圖9(a)可以看出,在較短的合成時(shí)間內(nèi)金剛石已基本成型,(100)面上存在一個(gè)尺寸較大的坑。由圖9(b)的放大像可以看出,坑的深度大約在8～10μm,邊緣是一種層狀堆疊的形貌,相鄰層之間存在間隙。

當(dāng)合成時(shí)間延長(zhǎng)至780s時(shí),金剛石晶體已經(jīng)得到充分生長(zhǎng),但是,使用SEM仍能在金剛石(100)晶面觀察到近乎平行排列的、高度為微米級(jí)的階梯狀生長(zhǎng)臺(tái)階和貼附于臺(tái)階邊緣的尺寸為微米級(jí)的小薄片,如圖10所示。

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)則更為清晰的捕捉到了充分長(zhǎng)成的金剛石(100)晶面上的層狀生長(zhǎng)臺(tái)階,及臺(tái)階前非常明顯的層狀堆垛的形貌,如圖11所示。

上述觀察結(jié)果充分說明,含硼金剛石單晶可能是以一種層狀生長(zhǎng)的機(jī)制完成長(zhǎng)大過程的,而堆垛在臺(tái)階前方的納米級(jí)的亞顆粒則有可能是金剛石單晶生長(zhǎng)的基元。在金剛石晶體的表面,生長(zhǎng)臺(tái)階依靠微米級(jí)或納米級(jí)的亞顆粒(生長(zhǎng)基元)在其擴(kuò)展前端的堆疊而不斷擴(kuò)展,而生長(zhǎng)基元經(jīng)過晶體的重構(gòu)和同化被轉(zhuǎn)變成金剛石晶體的一部分[8]。

圖9 合成時(shí)間為480s的金剛石單晶(100)晶面的SEM形貌像(b為a的局部放大像)Fig.9 SEM images of the surface of diamond monocrystal(100)of a synthesis time of 480s(b is partial magnified image of a)

圖10 合成時(shí)間為780s的金剛石單晶(100)晶面的SEM像Fig.10 SEM images of the surface of diamond monocrystal(100)of a synthesis time of 780s

圖11 使用FESEM觀察到的金剛石(100)晶面上的層狀堆垛形貌Fig.11 FESEM image of stacking structure on the crystal face of diamond(100)

高溫高壓下含硼金剛石在Fe-NI-C-B系中形核,由于硼具有與碳相近的原子半徑,極易進(jìn)入金剛石晶格,進(jìn)而導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生。當(dāng)金剛石晶體處在適宜的浸蝕條件下時(shí),位錯(cuò)周圍的原子被浸蝕的速率與基體不同,通常是位錯(cuò)附近的浸蝕速率快,故在位錯(cuò)存在地方形成位錯(cuò)蝕坑。使用SEM也在金剛石(100)晶面上觀察到了密集的位錯(cuò)蝕坑,如圖12所示。需要特別關(guān)注的是,在坑的內(nèi)壁上存在較為規(guī)則的原子尺度的臺(tái)階,如圖12(b)所示。

使用FESEM在金剛石單晶(111)晶面上觀察到了更為規(guī)則的螺旋狀位錯(cuò)蝕坑,坑的內(nèi)壁也擁有典型的層狀結(jié)構(gòu),如圖13所示。

圖12 SEM觀察到的金剛石(100)晶面上密集分布的四棱錐狀的小坑(a)及其放大像(b)Fig.12 SEM image of densely distributed rectangular pyramid pits on the crystal face of diamond

圖13 金剛石(111)晶面上螺旋狀位錯(cuò)蝕坑的FESEM像Fig.13 FESEM image of spiral dislocation etching pits on the crystal face of diamond(111)

圖14 金剛石晶體(111)晶面上層狀生長(zhǎng)丘的FESEM形貌像Fig.14 FESEM image of layered growth hillock on the crystal face of diamond(111)

根據(jù)上述針對(duì)金剛石單晶的表征結(jié)果,借鑒經(jīng)典的晶體生長(zhǎng)理論[9,10],可以初步斷定,高溫高壓下含硼金剛石在Fe-Ni-C-B系中的生長(zhǎng)遵循一種層狀生長(zhǎng)機(jī)制。層狀生長(zhǎng)所依賴的生產(chǎn)臺(tái)階應(yīng)該有兩種來源,在成核的初期,由于晶核尺寸普遍偏小,進(jìn)入金剛石晶格的硼原子不能在晶核表面造成滿足層狀生長(zhǎng)的生長(zhǎng)臺(tái)階,此時(shí)臺(tái)階的主要來源應(yīng)當(dāng)是二維晶核。使用FESEM也在金剛石(100)晶面發(fā)現(xiàn)了二維晶核提供臺(tái)階促成金剛石生長(zhǎng)的層狀生長(zhǎng)丘,如圖14所示。

借助于二維晶核提供的生長(zhǎng)臺(tái)階,擴(kuò)散到達(dá)金剛石晶面的碳/硼活性原子(團(tuán))得以在生長(zhǎng)臺(tái)階處被吸附,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成為正在生長(zhǎng)的金剛石單晶的一部分。隨著晶核的不斷長(zhǎng)大,進(jìn)入金剛石晶格的硼越來越多,直接導(dǎo)致晶格畸變的發(fā)生,此時(shí)金剛石層狀生長(zhǎng)的臺(tái)階來源則逐步由二維晶核過渡到位錯(cuò)。依靠位錯(cuò)在晶體表面造成永不消失的臺(tái)階,金剛石晶體不斷吸附擴(kuò)散到達(dá)金剛石晶面的碳/硼活性原子(團(tuán)),完成臺(tái)階的擴(kuò)展和晶面的鋪疊,進(jìn)而不斷長(zhǎng)大。

4 結(jié)論

通過對(duì)Fe-Ni-C-B系合成含硼金剛石單晶的金屬包覆膜物相結(jié)構(gòu)及成分的表征結(jié)果可以初步確定含硼金剛石生長(zhǎng)的直接碳/硼源是金屬-碳/硼化合物。在包覆膜的內(nèi)層,受金屬中間相的催化作用發(fā)生分解,釋放出活性碳/硼原子(團(tuán)),供給含硼金剛石單晶的生長(zhǎng)。

在金剛石形核的初期,依靠二維晶核在晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階,吸附擴(kuò)散到達(dá)金剛石單晶表面的活性碳/硼原子(團(tuán)),依靠層狀鋪疊的方式促成晶體的長(zhǎng)大。隨著晶核的不斷長(zhǎng)大,進(jìn)入金剛石晶格的硼原子會(huì)導(dǎo)致晶格畸變,進(jìn)而產(chǎn)生位錯(cuò),從而為金剛石晶體的進(jìn)一步長(zhǎng)大提供了另外一種能量更低且永不消失的臺(tái)階來源。金剛石晶體正式借助位錯(cuò)在晶體表面造成的臺(tái)階,不斷吸附活性碳/硼原子(團(tuán)),完成臺(tái)階的鋪展,進(jìn)而以層狀生長(zhǎng)的方式完成晶體的長(zhǎng)大。

[1] 王光祖.我國人造金剛石晶體生長(zhǎng)機(jī)理研究概述[J].金剛石與磨料磨具工程,2000(2):48-50.

[2] 尹龍衛(wèi).高溫高壓下Fe-Ni-C系中金剛石的形核長(zhǎng)大機(jī)制及晶體缺陷分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2001.

[3] 許斌.金屬包膜的微觀結(jié)構(gòu)及其在高溫高壓合成金剛石中的作用[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2003.

[4] 李和勝.Fe-Ni-C-B系高溫高壓合成含硼金剛石單晶的工藝與機(jī)理研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2009.

[5] 崔建軍,許斌,李木森,等.鐵基觸媒中的初生滲碳體與金剛石單晶的合成[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(4):1-4.

[6] 許斌,李木森,尹龍衛(wèi),等.鐵基觸媒合成金剛石形成的金屬包膜的組織結(jié)構(gòu)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2003,31(5):470-475.

[7] B.Xu,M.S.Li,J.J.Cui,et al.An investigation of a thin metal film covering on HPHT as-grown diamond from Fe-Ni-C system[J].Mater.Sci.Eng.A,2005,396:352-359.

[8] 丁立業(yè),羅湘捷.金剛石生長(zhǎng)的高壓熔體中碳的輸運(yùn)及其影響[J].高壓物理學(xué)報(bào),1994,8(2):146-151.

[9] 張克從.晶體生長(zhǎng)[M].北京:科學(xué)出版社,1981.

[10] 姚連增.晶體生長(zhǎng)基礎(chǔ)[M].合肥:中國科技大學(xué)出版社,1995.

2015-2020年中國復(fù)合超硬材料市場(chǎng)監(jiān)測(cè)及投資前景研究報(bào)告

博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2015-2020年中國復(fù)合超硬材料市場(chǎng)監(jiān)測(cè)及投資前景研究報(bào)告》共十三章。報(bào)告介紹了復(fù)合超硬材料行業(yè)相關(guān)概述、中國復(fù)合超硬材料產(chǎn)業(yè)運(yùn)行環(huán)境、分析了中國復(fù)合超硬材料行業(yè)的現(xiàn)狀、中國復(fù)合超硬材料行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局、對(duì)中國復(fù)合超硬材料行業(yè)做了重點(diǎn)企業(yè)經(jīng)營狀況分析及中國復(fù)合超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)。您若想對(duì)復(fù)合超硬材料產(chǎn)業(yè)有個(gè)系統(tǒng)的了解或者想投資復(fù)合超硬材料行業(yè),本報(bào)告是您不可或缺的重要工具。

超硬材料作為新材料的一種,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、地質(zhì)、石油、煤炭、石材、木材、建筑、汽車、家電等傳統(tǒng)領(lǐng)域以及電子信息、航天航空、國防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中出現(xiàn)了強(qiáng)度和硬度更高的產(chǎn)品,必須有更硬、更強(qiáng)的材料來加工這些產(chǎn)品,因此,復(fù)合超硬材料及其制品已經(jīng)成為推動(dòng)我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)世界一流制造業(yè)強(qiáng)國目標(biāo)所必不可缺的因素之一。國家“十二五”規(guī)劃綱要中明確提出要大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。其中新材料產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展新型功能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維及其復(fù)合材料、共性基礎(chǔ)材料。此外,各部委也先后頒布一系列政策法規(guī)推動(dòng)超硬材料產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

國家工業(yè)和信息化部2011年7月底發(fā)布的《機(jī)床工具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品,包含磨料磨具、超硬材料及制品類。磨料深加工產(chǎn)品、為數(shù)控機(jī)床配套的高檔磨具(高效、高速、重負(fù)荷、精密和超精密磨具,新型低溫結(jié)合劑等)及涂附磨具(人造金剛石、立方氮化硼涂附磨具及全聚酯布高強(qiáng)度重負(fù)荷砂帶、特殊涂層砂帶等);粗顆粒(兩毫米以上及寶石級(jí))和細(xì)顆粒(納米級(jí))超硬材料及CVD金剛石、超硬復(fù)合材料;各類超硬材料制品(數(shù)控機(jī)床用高速高效高精度超硬材料砂輪、成型修整滾輪等磨具;精密高性能鏜、銑、鉸削等特殊刀具;IC、IT行業(yè)晶圓加工用系列工具;高檔金剛石專用鋸片;納米級(jí)金剛石制品及金剛石地質(zhì)鉆探類工具等)。國家工業(yè)和信息化部2011年11月發(fā)布的《建材工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》將“超硬材料制備技術(shù)”列入技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步方向。國家工業(yè)和信息化部2012年1月發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出,鞏固人造金剛石和立方氮化硼超硬材料、激光晶體和非線性晶體等人工晶體技術(shù)優(yōu)勢(shì),大力發(fā)展功能性超硬材料和大尺寸高功率光電晶體材料及制品。 (博思數(shù)據(jù)研究中心)

Study of the Synthesis Mechanism of Boron-doped Diamond Monocrystal of HPHT Fe-Ni-C-B Series

LI He-sheng1,LI Mu-sen1,GONG Jian-hong2
(1.School of Materials Science and Engineering,SHANDONG UNIVERSITY,Jinan,Shandong 250061,China; 2.School of Mechanical,Electrical&information engineering,SHANDONG UNIVERSITY,WEIHAI, Weihai,Shandong 264209,China)

In order to research on the synthesis mechanism and growth mechanism of the boron-doped diamond,the boron-doped diamond monocrystal synthesised from the HPHT Fe-Ni-C-B Series and its surrounded metallic film have been systematically analysed through modern materials analysis technology.The result shows that the boron element added into the metal catalyzer has been dissolved into the surrounded metallic film as a metal-carbon-boron compound.Being as the direct carbon/boron source for the growth of the boron-doped diamond,it was catalysed by intermetallic phase and the activated carbon/boron atoms were extracted and spreaded onto the surface of the growing diamond monocrystal to promote the growth of the diamond.The boron-doped diamondgrow in a layered growth model.The source for this type of growth during the early stage comes from two dimensional crystal nucleus and from dislocation during the late stage. The activated carbon/boron atoms spread onto the surface of the diamond monocrystal and are absorbed at the front end of the growth step and then transformed into part of the diamond monocrystal.As the step continues to expand,new growth step continues to develop on the newly grown crystal surface while the boron-doped diamond monocrystal grows in a layered stack-based pattern.

HTHP,Fe-Ni-C-B series,boron-doped diamond,synthesis mechanism

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0019-06

2015-01-13

李和勝(1981.4～),男,山東泰安人,工學(xué)博士,高級(jí)工程師。畢業(yè)于山東大學(xué)材料學(xué)院,主要從事金剛石的高溫高壓合成及工具制備的相關(guān)研究工作。現(xiàn)任富世華(河北)金剛石工具有限公司技術(shù)經(jīng)理。作為第一作者在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文27篇,其中SCI收錄2篇, EI收錄10篇。擁有國家發(fā)明專利一項(xiàng),實(shí)用新型專利三項(xiàng)。

李和勝,李木森,宮建紅.高溫高壓Fe-Ni-C-B系中含硼金剛石單晶合成機(jī)理研究(下)[J].超硬材料工程,2015,27(2):19-24.