剪式合成工藝在粉末觸媒的大腔體合成中應用的探討

楊 燁，李 穎， 方嘯虎

(河南工業大學,河南 鄭州 450007; 2.晶日金剛石工業公司,河北 燕郊 065201)

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剪式合成工藝在粉末觸媒的大腔體合成中應用的探討

楊 燁1，2，李 穎1， 方嘯虎1，2

(河南工業大學,河南 鄭州 450007; 2.晶日金剛石工業公司,河北 燕郊 065201)

剪式合成工藝原來是在片狀觸媒中應用相當成熟的工藝，即便如此，但當時并沒有引起行業普遍重視，更不用說現在在粉末觸媒、大壓機、大腔體方面的工藝應用了。文章主要闡述了剪式合成工藝的機理及特點，剪式合成工藝在粉末觸媒的大腔體合成中進行的實際應用，并對其結果進行分析。同時闡述了大腔體合成工藝發展方向。

剪式合成工藝；粉末觸媒；金剛石合成；限定壓力；合成效果；發展方向

近幾年來我國超硬材料行業快速發展，現已成為全球超硬材料領域的最主要制造大國。在金剛石單晶方面，產量已經占全球的90%～95%[5]。在高品質金剛石方面也有重大突破，優質金剛石已經不再用單一的單顆粒靜壓平均強度來表示，多數都要用冷、熱抗沖擊強度及其差值來表征。我們說質量有很大提高主要是①靜壓強度的絕對值基本達到國際先進水平；②冷、熱抗沖擊強度的絕對值都已經接近或達到國際先進水平；③性價比高，完全可以替代國外產品，從而占領國際市場。

國內大部分金剛石生產企業為了降低合成成本、提高單次合成效率、增強金剛石市場競爭力，紛紛用Φ600mm以上大缸徑六面頂壓機進行生產，甚至于有的已經用到Φ(800-850)mm以上大缸徑六面頂壓機，以此來擴大其合成腔體，降低其合成成本。如國內的中南、黃河、華晶、晶日等大、中型金剛石生產廠家都投入大量資金，加緊投入Φ600mm以上壓機的工藝研制，實現其合成腔體的大型化，目前來看絕大多數的壓機缸徑(噸位)都在Φ(700-750)mm。隨著合成腔體的逐步擴大，單次產出的金剛石的數量、質量成為檢驗大設備投入的試金石，尤其現在的金剛石市場低迷，簡單的擴大腔體、提高單產已經不能適應如今的金剛石市場競爭。如何提高人造金剛石品質、穩定每次合成的有效性，如何選擇合適大腔體的合成工藝，已經成為腔體大型化必須正視的問題，也是我國超硬材料生產企業生存急待解決的問題。

1 剪式合成工藝的合成調整機理

剪式合成工藝最早是由方嘯虎教授在以直接加熱方式，片狀觸媒合成人造金剛石時期提出的，其意義在于簡化當時的合成控制點，通過調整送溫壓力和分段壓力(暫停壓力)的方法，達到控制金剛石合成品質和單次產量的目的，這不僅提高了當時設備的產出質量和產量，使合成的重復性及工藝的調整性都得到大幅改進，同時，還降低了頂錘消耗、能源消耗。

1.1 使用該項技術的前提

為了實現其當時提出的工藝要求，我公司長期運用該項技術，經過長期實踐，我們體會到，要實現優質高產，必須要滿足幾個前提：①必須對相對低溫低壓理論有所認識，因為只有相對低溫低壓才需要限制合成壓力。但一旦限制了合成壓力，自然會使成核量下降，此時保證了質量但無法控制金剛石產量，這就有問題②的提出和解決；②七大要素的提出和靈活運用[1]。在壓機大型化之后，七大要素變得更為復雜些，但根本問題并沒有變。這就是升溫壓力、升溫速度、暫停(分段)壓力、分段時間、合成壓力、合成溫度、合成時間等，但一定要認真理解其內涵及各自的作用。③限制合成壓力的重要性的認知將在后面詳細闡述。

1.2 剪式合成法的基本形式

剪式合成工藝[2]主要由基礎式、下調式、上調式組成。其核心主要闡述了合成要素——合成終壓、分段壓力(暫停壓力)、及送溫壓力三者之間相互影響關系，尤其是在合成終壓確定不變的情況下，分段壓力(暫停壓力)和送溫壓力相互調整時，對于整個合成效果的影響。

1.2.1 基礎式

在合成中始終將合成終壓控制在相對穩定的某一合成壓力的情況下，通過降低、提高送溫壓力，同時提高、降低分段壓力(暫停壓力)，其調整效果是互補的，即在調整金剛石成核數量上是互補狀態，可通過以上調整來實現金剛石合成的產量調整。如圖1所示：

圖1 基礎式工藝調整法Fig.1 Base type process adjustment method

1.2.2 下調式

在合成中始終將合成終壓及分段壓力(暫停壓力)控制在相對穩定的某一合成壓力的情況下，通過調整送溫壓力，實現金剛石合成的數量及質量控制。如圖2所示：

圖2 下調式工藝調整法Fig.2 Reduction type process adjustment method

下調剪式工藝調整法主要解決合成中由于送溫壓力的偏差造成的在人造金剛石單晶中出現的石墨雜質和氣泡包裹體的問題。在下調剪式工藝中隨著送溫壓力的提高[4]，金剛石單晶中石墨雜質會減少而同時金剛石成核數量會增加，金剛石單晶中氣泡包裹體存在的幾率增加；反之，金剛石單晶中氣泡包裹體減少，石墨雜質存在的幾率增加。

1.2.3 上調式

在合成中始終將合成終壓及送溫壓力控制在相對穩定的某一合成壓力的情況下，通過調整分段(暫停)壓力，實現金剛石合成的數量及質量控制。如圖3所示：

圖3 上調式工藝調整法Fig.3 Increase type process adjustment method

上調剪式工藝調整法主要解決合成中由于分段壓力的偏差造成的在人造金剛石合成中粒度偏差及連聚晶偏多問題。上調剪式工藝中隨著分段壓力(一二次暫停壓力)向上調整，合成中金剛石成核數量會明顯增加，粒度向細調整，連聚晶增加；反之成核數量減少，粒度偏粗，連聚晶減少。

這里有一個共同點：即合成壓力均有所下降，且改變了以往只靠提高或降低合成壓力來控制金剛石生產量的工藝。金剛石在這樣一個更高的溫度、壓力狀態下，必將使生長速度加快，所以在控制優質金剛石時，將會帶來很多困難。當采用降低溫度、壓力時，使生長環境發生明顯的變化，在控制產品質量方面就會帶來意想不到的好效果。

為了實現這一目標，采取控制最高合成壓力就變得非常重要。一旦控制了合成壓力，又如何可同時控制產量呢？以上核心措施就能解決這一難題。

2 剪式合成工藝在現實合成中的應用及意義

近兩年隨著合成設備的更新換代，合成腔體的大型化成為金剛石合成的主流，隨著腔體的擴大，單次合成效果所占比重越來越大，單次合成的效果及重復性成為人造金剛石合成的主要問題，合成工藝的選擇及調整成為各個生產廠家永恒的課題。

剪式合成工藝是在對合成七要素充分理解和掌握的基礎上，運用相對低壓、低溫的合成理論，結合實際生產中操作員工在合成操作中對合成參數的調整，通過限定合成終壓，調整送溫及暫停壓力的方法，對金剛石合成中成核互補的兩個參數進行調整，達到調整產量和減少雜質的目的，同時由于合成參數因素減少，提高了合成的重復性。

剪式合成工藝核心在于合成過程限定合成終壓，這對于合成腔體大型化有著重要意義。首先、限定合成終壓有利于合成設備的運行效率和使用壽命[3]。限定合成終壓，采用相對低壓的合成理念，不僅使設備處于理想的壓力運行狀態，提高設備的運行效率，同時對進一步擴大腔體，挖掘設備潛力打下了基礎。其次、限定合成終壓有利于高品級金剛石的生長。采用相對低壓的合成減小了腔體內的壓力梯度，降低了金剛石的生產動力，使金剛石的生長速度放緩，提高了金剛石在生長時的排雜能力，有利于高品級的金剛石生成和品質提高。第三、限定合成終壓減少了合成控制因素，減少了合成時的人為因素，有利于合成效果的重復性。

以下是北方某金剛石公司采用剪式合成工藝前后的合成對比(表1、表2)：

采用剪式合成工藝合成結果(6月)

表1 剪式合成工藝合成結果對比表

表2 傳統合成工藝調節方法全月合成結果對比表

表1為某公司采用剪式合成工藝調整方法全月合成結果，表2為同設備在未采用剪式合成工藝調整方法之前月的合成結果。通過兩月規模生產結果對比可發現，表1采用剪式合成工藝后限制合成壓力、簡化調節變量后金剛石品級提高明顯，優良品(D340-D390)率有明顯提升，同時RVDⅠ及RVDⅡ所占比例明顯降低，主要得益于在限制合成壓力金剛石生長速度變慢，金剛石品質提高；此外，根據生產統計，在采用剪式合成工藝調整的6月設備運轉率達到97%以上，合成重復性達到95%以上，比未采用剪式合成工藝的5月提高3%以上。通過對比，剪式合成工藝的應用不僅提高了合成設備的利用率，同時金剛石產品價值提升也超過5%以上。

3 對今后合成工藝發展的良好前瞻

隨著合成設備大型化和合成腔體的擴大，合成效果穩定性的問題在合成調整中越來越突出，在材料和環境因素固定的條件下，工藝調整的參數變量、范圍直接影響了合成的結果。剪式合成工藝是在相對合成低壓、低溫條件下，穩定了合成終壓，通過調整兩個或一個變量參數來控制金剛石合成的單產產量、質量的工藝，大大簡化了調整可變因素，更適合于大規模工業生產中合成操作工人的掌握，可大幅提高合成效果的重復性及減少因工藝帶來的金剛石品質問題，為解決合成腔體大型化過程中的工藝穩定探索了一條全新的途徑。

4 幾點結論

(1)剪式合成法是在臺階升壓和慢速降溫的基礎上，進一步提高到理論上總結出來的。特別是在壓機大型化后，電控系統作了大量改進，所以完全可以將生產中的經驗所得數據進行對比選擇，也可以用晶體生長規律進行試驗對比，最后優選最佳曲線予以設計。

(2)該方法最早是在片狀觸媒中使用，后來在擴大腔體和應用粉末觸媒兩大改進后，我們仍然用此理論作指導，同樣取得良好的效果，所以應認同該理論的廣譜性，值得注意在行業中推廣。

(3)由于該理論在實踐時都是限定總合成壓力，所以必須與方氏相對低溫低壓理論同時并用，才能取得最佳效果。相對低溫低壓理論的核心是在金剛石生長中，適當減少合成總能量，這樣就確保了晶體完全是在一個理想的環境中生長，所以產品質量普遍得到提高。

(4)在以往的合成中，將合成壓力溫度限定后，金剛石產量明顯減少，又無新的方法可以控制金剛石達到優質又高產，所以有的技術人員無從適手。我們在實踐中體會到，用前述幾種類型完全可以滿足既增加產量，又提高質量的目的，這里分段壓力的作用更為明顯。當然升溫壓力在控制產品質量方面也是不可忽視的重要內容。

(5)本文的總結內容應該按系統工程理解，綜合應用，否則將不能實現優質又高產的綜合效果。

[1] 方嘯虎，等.現代超硬材料與制品[M].杭州:浙江大學出版社，2011．

[2] 方嘯虎 .合成金剛石的研究與應用[M].北京:地質出版社，1996．

[3] 方嘯虎 .中國超硬材料新技術與進展[M].合肥:中國科學技術出版社．

[4] 謝有贊,等.金剛石理論與合成技術[M].長沙:湖南科學技術出版社，1993．

[5] 中國超硬材料及制品專業委員會，中國超硬材料與制品50周年精選文集[M].杭州:浙江大學出版社， 2013．

Discussion of The Application of Shear Type Synthesis Processin Large Cavity Synthesis

YANG Ye1,2, LI Ying1, FANG Xiao-hu1,2

(1.HenanUniversityoftechnology,Zhengzhou,Henan,chiana450007; 2.JingriDiamondIndustrialco.,LTD,Yanjiao,Hebei,chiana065201)

Shear type synthesis processin used to be a well developed process applied in slice catalyst. Even so, it did not attract great attention in the industry at that time, let along the application in fields such as powder catalyst, large press and large cavity. This article focuses on the mechanism and characteristics of shear type synthesis process and the practical application of shear type synthesis process in large cavity synthesis, and the result has been analyzed. Meanwhlie, the development direction of large cavity synthesis process has been expounded.

shear type synthesis process; powder catalyst; diamond synthesis; limited pressure, synthesis effect; development direction

2016-06-15

楊燁(1973-)，河北望都人，1998年畢業于包頭鋼鐵學院材料工程系。畢業后從事人造金剛石合成生產研究，高級工程師(現河南工業大學在職研究生)，現任晶日金剛石工業公司單晶制造部技術負責人。

楊 燁，李 穎， 方嘯虎.剪式合成工藝在粉末觸媒的大腔體合成中應用的探討[J].超硬材料工程，2016，28(5)：38-42.

TQ164

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1673-1433(2016)05-0038-05