專利名稱：一種強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液合成納米金剛石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本項發(fā)明涉及一種人工合成納米金剛石的方法。
背景技術(shù)：
天然金剛石由于資源稀缺，顯然滿足不了需求，因此人造金剛石應(yīng)運(yùn)而生。它不僅具有硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性能好等特性，而且以其優(yōu)秀的抗壓強(qiáng)度、散熱和傳聲速率、防蝕能力、透光、低熱脹率等物理性能，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不可替代的新材料，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶，廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、石油鉆探、機(jī)械加工、電子工業(yè)、航空航天等科學(xué)領(lǐng)域。全世界現(xiàn)在每年生產(chǎn)五十億克拉人造金剛石，其中約有四十億克拉產(chǎn)自中國，占國際總產(chǎn)量的80%，中國早已成為世界人造金剛石的第一大國。早在19世紀(jì)60年代，美國和前蘇聯(lián)等國家先后利用爆炸法合成納米級金剛石，自那時起超細(xì)金剛石的制備與研究便開始成為超硬材料制作的熱點(diǎn)。我國的人工合成金剛石經(jīng)歷一個漫長的過程，1971年我國首次用爆炸法合成出人造金剛石微粉，1993年中科院蘭州化學(xué)物理研究所用爆轟產(chǎn)物法合成出了納米金剛石，從而填補(bǔ)了中國合成金剛石的空白；化學(xué)氣相沉積(CVD)法是金剛石膜制備的主流技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已從最初的微米金剛石膜發(fā)展到納米金剛石膜，至目前已經(jīng)可以制作出高質(zhì)量的單晶金剛石；高溫高壓合成法是一種通過觸媒在國產(chǎn)六面頂壓機(jī)上合成金剛石的工藝技術(shù)。以上所列舉技術(shù)的推廣應(yīng)用對人造金剛石的產(chǎn)量和質(zhì)量的提高均起到了一定的積極作用，它們各具特色，但各自也有一定的局限性。其中爆轟法是利用負(fù)氧平衡炸藥來進(jìn)行納米金剛石的合成，實(shí)施時需要特殊的設(shè)施且具有一定的危險性；高溫高壓法和CVD沉積法在合成金剛石時都必須嚴(yán)格地控制溫度和壓力才能實(shí)現(xiàn)，合成條件很苛刻；脈沖激光沉積法可以在室溫下或低溫下進(jìn)行，沉積速度快，效果好，可操作性和可控性好，不引入雜質(zhì)，便于制備復(fù)合成分薄膜，但激光技術(shù)的能量利用率只有20%，能源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。因此， 開發(fā)出一種高效率、低能耗的石墨合成納米金剛石的新方法具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)在合成納米金剛石方面存在的一些問題，簡化工藝，降低成本， 發(fā)明人進(jìn)行多方探討，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)明出了一種通過強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液的方式合成納米金剛石的方法。現(xiàn)將發(fā)明的具體內(nèi)容說明如下1、原料組成在本項發(fā)明工藝中，以石墨顆粒、觸媒粉和去離子水為原料，相互按照一定的比例混合制成分散均勻的懸浮溶液，其中石墨顆粒與觸媒粉按質(zhì)量百分比計，其比例范圍如下石墨90 99%觸媒1 10%
這里所說的石墨顆粒包括鱗片石墨顆粒和土狀石墨顆粒兩種材料，使用時任選其中一種，其中鱗片石墨顆粒呈層片狀，晶型完整，顆粒尺寸分布均勻，平均粒徑在2 10 μ m ；土狀石墨呈碎片狀，結(jié)晶較差，平均顆粒尺寸約為0. 1 2 μ m。這里所說的觸媒粉主要是指市場出售的鐵粉、鈷粉和鎳粉等金屬粉劑，粉劑的粒度為10 ΙΟΟμπι，其中以普通鐵粉為宜。2、石墨懸浮液的制備為了研究石墨結(jié)晶形態(tài)對利用強(qiáng)流脈沖電子束照射合成納米金剛石的影響，本工藝采用鱗片石墨和土狀石墨作為合成納米金剛石的碳源，液體介質(zhì)為去離子水。實(shí)驗(yàn)證明， 不僅石墨的粒度、晶體結(jié)構(gòu)等會影響到納米金剛石的合成效果，而且石墨顆粒和觸媒粉在水中的分散程度以及石墨懸浮液的濃度對納米金剛石的人工合成也會造成很大影響。為此在制取石墨懸浮液時需要利用超聲波將水溶液中的石墨顆粒和觸媒粉進(jìn)行充分分散，超聲波的作用時間為0. 25至1小時。懸浮液濃度太大或太小都會降低納米金剛石的合成效率， 根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，石墨懸浮液的濃度范圍限定在每升去離子水中含有由石墨顆粒和觸媒粉按預(yù)定比例混合而成的溶質(zhì)0. 01 0. Ikg為宜。3、強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液本項發(fā)明所使用的設(shè)備屬于常規(guī)的強(qiáng)流脈沖電子束照射設(shè)備，設(shè)備的具體規(guī)格為俄制“Nadezhda-2”型。利用該種設(shè)備進(jìn)行人工合成納米金剛石時，首先需要將配好的石墨懸浮液放置在強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備的真空室中，調(diào)節(jié)好電子槍距離石墨懸浮液液面的高度，一般相距控制在4. 0 10. 0cm，然后在完成抽真空操作之后，開始利用強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液，其工藝參數(shù)為能量密度1 4J/cm2，加速電壓10 40kV，脈沖次數(shù)5 100次，脈寬0. 5 2 μ S，照射時間為2 200 μ S。4、納米金剛石和石墨分離由于電子束作用生成的金剛石和石墨混合到一起，而且粒度很細(xì)，物理方法很難分離，本試驗(yàn)中采用化學(xué)方法氧化掉未轉(zhuǎn)化的石墨，然后分離金剛石和觸媒粉等，利用金剛石硬度高、耐磨的特點(diǎn)，金剛石和觸媒粉在經(jīng)過球磨破碎后便處于分離狀態(tài)。同時，也可以采用磁選的方法把帶有磁性的金屬觸媒分離出來。5、納米金剛石的檢測主要采用透射電子顯微鏡(TEM)、Χ射線衍射(XRD)及拉曼光譜(Raman)對分離出來的產(chǎn)物進(jìn)行檢測，通過對TEM選區(qū)電子衍射花樣、XRD圖譜及Raman光譜的分析來確定產(chǎn)物中是否含有金剛石相。依據(jù)本項發(fā)明的方法進(jìn)行納米金剛石的人工合成，其石墨向金剛石轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到1 %以上，產(chǎn)品以粒度為10 90nm的納米金剛石為主，初級產(chǎn)品尚含有一定量的雜質(zhì)， 必須經(jīng)過后續(xù)技術(shù)進(jìn)行分離后使用。本項發(fā)明的和以往的人工合成金剛石方法相比，具有工藝簡單，操作方便，能量利用率高達(dá)90%以上等優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例11.原料準(zhǔn)備。本實(shí)施例中所選用的石墨原料為鱗片石墨顆粒，其粒度范圍為2 3 μ m,選擇粒度為10 30 μ m的鐵粉為觸媒粉，石墨顆粒與鐵粉的質(zhì)量百分比為石墨顆粒為90%，觸媒鐵粉為10%。2.制取石墨懸浮液。將其按上述比例制得的混合原料按每升去離子水放入 0. 03kg的比例放入到普通的去離子水中，利用超聲制得濃度為0. 03g/ml的石墨懸浮液，超聲波的作用時間為0. 5小時，功率密度為0. 57W/cm2，頻率30KHz。3.強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液。將制得的石墨懸浮液置入設(shè)備的真空室內(nèi)， 調(diào)節(jié)好電子槍距離石墨懸浮液液面的高度相距為5. 0cm，抽真空，然后加上強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行照射，強(qiáng)流脈沖電子束參數(shù)為能量密度1. 5J/cm2，加速電壓35kV，脈沖次數(shù)40次，脈寬1μ s，照射時間為40 μ S。4.經(jīng)測定石墨轉(zhuǎn)化率達(dá)到1. 25%產(chǎn)品以納米金剛石為主，粒度為20 60nm。實(shí)施例2(1)原料準(zhǔn)備。本實(shí)施例中所選用的石墨原料為土狀石墨顆粒，其粒度范圍為 0. 1 0. 2 μ m，觸媒粉選擇材料為鐵粉(10 30 μ m)，石墨與鐵粉的質(zhì)量百分比為石墨顆粒為96%，觸媒鐵粉為4%。(2)制取石墨懸浮液。將其按上述比例制得的混合原料按每升去離子水放入 0. 02kg的比例放入到普通的去離子水中，利用超聲制得濃度為0. 02g/ml的石墨懸浮液，超聲波的作用時間為0. 25小時，功率密度為0. 57W/cm2，頻率30KHz。(3)強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液。將制得的石墨懸浮液置入設(shè)備的真空室內(nèi)， 抽真空，然后加上強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行照射，強(qiáng)流脈沖電子束參數(shù)為加速電壓15kV，脈沖次數(shù)25次，脈寬1 μ S。(4)經(jīng)測定轉(zhuǎn)化率達(dá)到1. 10%左右，產(chǎn)品以納米金剛石為主，粒度在10 40nm。
權(quán)利要求
1.一種人工合成納米金剛石的方法，該方法主要以石墨顆粒為原料，其特征在利用強(qiáng)流脈沖電子束照射由石墨顆粒、觸媒粉劑和去離子水組成的石墨懸浮液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人工合成納米金剛石的方法，其特征在于方法中選擇的石墨是指鱗片石墨或土狀石墨兩種石墨顆粒中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人工合成納米金剛石的方法，其特征在于方法中選擇的觸媒粉包括鐵粉、鈷粉和鎳粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人工合成納米金剛石的方法，其特征在于方法中選擇的石墨顆粒和觸媒粉的配比按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計為石墨顆粒為90 99%，觸媒粉劑為1 10%，石墨懸浮液的濃度為每升去離子水含溶質(zhì)0.01 0. Ikgo
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人工合成納米金剛石的方法，其特征在于方法中選擇的強(qiáng)流脈沖電子束的工藝參數(shù)包括能量密度1 4J/cm2，加速電壓10 40kV，脈沖次數(shù)5 100次，脈寬0. 5 2μ S。
全文摘要
本項發(fā)明公開了一種強(qiáng)流脈沖電子束照射石墨懸浮液合成納米金剛石的方法，涉及人工合成納米合金鋼領(lǐng)域。所發(fā)明的工藝以鱗片石墨或土狀石墨的顆粒為原料，按比例同觸媒粉混合在一起，加入到離子水中制成一定濃度的石墨懸浮液，然后利用強(qiáng)流脈沖電子束對石墨懸浮液進(jìn)行照射制取納米金剛石。強(qiáng)流脈沖電子束照射的工藝參數(shù)設(shè)置為能量密度1～4J/cm2，加速電壓10～40kV，脈沖次數(shù)5～100，脈寬0.5～2μs。本項發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是合成工藝簡單，強(qiáng)流脈沖電子束操作方便，能量利用率可達(dá)90％以上。
文檔編號B01J3/06GK102210999SQ20111015554
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者張文鳳, 李世偉, 涂贛峰, 董闖, 郝儀, 郝勝智, 高波 申請人:東北大學(xué)