本發(fā)明涉及金剛石合成領(lǐng)域，尤其涉及一種化學(xué)合成的金剛石大單晶及其制備方法。

背景技術(shù)：

金剛石是一種由碳元素組成的礦物，是碳元素的一種同素異形體，金剛石是目前發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬的天然物質(zhì)之一。金剛石用途廣泛，利用其硬度高這一特點(diǎn)，金剛石可用作鉆頭、刀具，金剛石還可加工成名貴的鉆石。天然金剛石存量少，開采難度大，成本高，很難滿足金剛石在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，人工合成法制備出的金剛石在性能上接近天然金剛石，是天然金剛石的最佳替代物，傳統(tǒng)的人工合成法一般為靜壓觸媒法、爆炸法和外延法。

靜壓觸媒法是以石墨為原料，以過渡金屬合金為觸媒，以液壓機(jī)產(chǎn)生的恒定高壓，以電流產(chǎn)生持續(xù)高溫，使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，轉(zhuǎn)化條件一般為5-7gpa，1300-1700℃。石墨粉和金屬粉在高溫高壓作用下，緩慢生產(chǎn)相變動(dòng)力，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，成核后的金剛石再隨著時(shí)間的延長而長大。靜壓觸媒法存在壓強(qiáng)高，溫度高，金剛石晶體粒度小，形狀不規(guī)則，產(chǎn)量低，效率低，費(fèi)時(shí)等缺陷。

爆炸法是用炸藥爆轟石墨或用炸藥驅(qū)動(dòng)飛片擊打石墨產(chǎn)生高溫高壓使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。該技術(shù)制備的金剛石粒度更小，回收復(fù)雜，得率低于5％。

外延法是利用熱能和電解某些含碳物質(zhì)時(shí)析出的碳源在金剛石晶種和某些基底作用的物質(zhì)上外延生長而成的。雖然有時(shí)能生長出1克拉的大單晶，但存在工藝復(fù)雜，耗時(shí)過長，不宜工業(yè)化生產(chǎn)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有人工合成法制備金剛石粒度小、產(chǎn)量低、耗時(shí)長的問題，提供一種化學(xué)合成法制備的金剛石大單晶及其制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種金剛石大單晶，其特征在于，所述金剛石大單晶是由20-35wt％金屬氧化物和65-80wt％堿金屬氰化物組成的原料混合物反應(yīng)而成，其反應(yīng)通式為：

xmaob+2bxacn＝bxa2o+amxny+2bxc+(bx-ay/2)n2，

其中：

maob為金屬氧化物；

acn為堿金屬氰化物；

a2o為堿金屬氧化物；

mxny為金屬氮化物；

a、b、x、y為正整數(shù)。

所述金屬氧化物選自mgo、feo、cr2o3中的一種或兩種的混合物。

所述堿金屬氰化物選自nacn、kcn、na4[fe(cn)6]、k4[fe(cn)6]中的一種。

本發(fā)明的有益效果是，反應(yīng)物組分少，配方簡單，反應(yīng)條件要求低，易于控制，反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定，無污染易回收，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明還提供所述金剛石大單晶的制備方法，包括以下步驟：

1)按比例稱取原料混合物的各組分，烘干脫水充分混合后用模具壓制成反應(yīng)塊，將反應(yīng)塊置于反應(yīng)設(shè)備中，加壓至0.8-1.2gpa；

2)向反應(yīng)塊通電，控制反應(yīng)溫度在800-1100℃，反應(yīng)10-15min后，停止通電，溫度降至700℃后泄壓，待溫度降至室溫后取出反應(yīng)物；

3)將步驟2)中所得的反應(yīng)產(chǎn)物放置在烘箱中的斜面上，設(shè)置烘箱溫度為800-1300℃，烘干10-15min，待溫度降至常溫后，即得金剛石大單晶成品。

本發(fā)明制備方法的具體反應(yīng)過程如下：

上述步驟3)中，所述斜面的傾斜角度為10-15°；所述反應(yīng)產(chǎn)物為金剛石大單晶、堿金屬氧化物和金屬氮化物的混合物，其中堿金屬氧化物和金屬氮化物在800-1300℃下熔融，沿著斜面流下分離。

本發(fā)明制備的金剛石大單晶粒度為4-6.5mm，得率為9-12％。

所述金剛石大單晶制備方法的有益效果是，對(duì)各反應(yīng)物前期處理簡單，反應(yīng)時(shí)間短，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的分離操作方便效率高。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明金剛石大單晶及其制備方法進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為28％mgo和72％kcn，其反應(yīng)式為：

3mgo+6kcn＝3k2o+mg3n2+6c+2n2。

實(shí)施例2：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為30％feo和70％nacn，其反應(yīng)式為：

3feo+6nacn＝3na2o+fe3n2+6c+2n2。

實(shí)施例3：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為25％cr2o3和75％kcn，

其反應(yīng)式為：

cr2o3+6kcn＝3k2o+2crn+6c+2n2。

實(shí)施例4：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為15％mgo、10％cr2o3和75％kcn，其反應(yīng)式為：

3mgo+6kcn＝3k2o+mg3n2+6c+2n2；

cr2o3+6kcn＝3k2o+2crn+6c+2n2。

實(shí)施例5：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為25％mgo、10％feo和65％nacn，其反應(yīng)式為：

3mgo+6nacn＝3na2o+mg3n2+6c+2n2；

3feo+6nacn＝3na2o+fe3n2+6c+2n2。

實(shí)施例6：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為10％feo、10％cr2o3和80％kcn，其反應(yīng)式為：

2cr2o3+3feo+18kcn＝9k2o+fe3cr4n6+18c+6n2。

實(shí)施例7：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為35％cr2o3和65％k4[fe(cn)6]，其反應(yīng)式為：

2cr2o3+3k4[fe(cn)6]＝6k2o+fe3cr4n6+18c+6n2。

實(shí)施例8：

一種金剛石大單晶，其反應(yīng)混合物組分為20％cr2o3和80％na4[fe(cn)6]，其反應(yīng)式為：

2cr2o3+3na4[fe(cn)6]＝6na2o+fe3cr4n6+18c+6n2。

以上實(shí)施例金剛石大單晶的制備方法包括以下步驟：

1)按比例稱取原料混合物的各組分，烘干脫水充分混合后用模具壓制成反應(yīng)塊，將反應(yīng)塊置于反應(yīng)設(shè)備中，加壓至0.8-1.2gpa。

2)向反應(yīng)塊通電，控制溫度800-1100℃，反應(yīng)10-15min后，停止通電，溫度降至700℃后泄壓，待溫度降至室溫后取出反應(yīng)物。

該步驟反應(yīng)過程分為以下幾個(gè)階段：當(dāng)溫度達(dá)到650℃時(shí)反應(yīng)開始進(jìn)行，生成堿金屬氧化物、金屬氮化物、碳單質(zhì)和氮?dú)?，隨著溫度升高至750℃，生成的金屬氮化物開始熔融，生成的碳單質(zhì)以液態(tài)金屬氮化物為載體緩慢聚集，在高壓下結(jié)晶成金剛石晶體，隨著反應(yīng)的持續(xù)金剛石晶體不斷生長成金剛石大單晶。

3)將所得反應(yīng)產(chǎn)物放置在烘箱內(nèi)的斜面上，斜面傾斜角度為10-15°，設(shè)置烘箱溫度為800-1300℃，烘干10-15min，使金屬氮化物和堿金屬氧化物熔融后沿著斜面流下與金剛石大單晶分離，待溫度降至常溫后，取出金剛石大單晶成品。

我們將實(shí)施例1-8所得的金剛石單晶與傳統(tǒng)方法所得產(chǎn)品進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

表1.實(shí)施例1-8與傳統(tǒng)方法所得產(chǎn)品的比較結(jié)果

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。