金刚石晶粒及其制备方法和包含该金刚石晶粒的混合物的制作方法
【专利说明】金刚石晶粒及其制备方法和包含该金刚石晶粒的混合物
[0001] 本公开内容整体上涉及金刚石晶粒，更特别地涉及小的金刚石晶粒，涉及制备该 金刚石晶粒的方法和包含该金刚石晶粒的混合物。
[0002] 用于制备晶粒的公开方法包括使碳来源在合适的金属材料的存在下经受至少约 5. 2千兆帕（GPa)的第一超高压力和约1400摄氏度的第一温度，在该压力和温度下金属 熔融，从而诱发由该碳来源的多个核金刚石晶粒的自发成核。随后将压力和温度降低到第 二压力和第二温度，在该第二压力和第二温度下通过碳沉淀该核将生长成为多个金刚石晶 粒，但在该第二压力和第二温度下不发生金刚石晶粒大量的进一步自发成核。在一段时间 后，将压力和温度降低到环境水平并且将生长的金刚石晶粒从在其中将它们分散的包含剩 余碳来源和金属的合成组件移除。除其它因素外，所制备的晶粒数目可受第一压力和第一 温度的大小以及在该第一条件下的时间周期的影响。除其它因素外，金刚石晶粒的尺寸可 由第二压力和第二温度的大小以及在该第二条件下的时间周期的影响。
[0003] 需要合成具有小于约10微米量级、最高至数十微米的量级的平均尺寸的高品质 金刚石晶粒的方法。
[0004] 根据第一方面，提供了一种提供多个具有大于5微米或至少约10微米且至多约 100微米、至多约50微米、至多约30微米或至多约20微米的平均尺寸的金刚石晶粒的方 法，该方法包括提供合成组件，该合成组件包含碳材料来源、在其上金刚石材料能结晶的多 个籽晶晶粒和用于促进金刚石晶粒结晶的溶剂-催化剂材料；通过超高压力炉使该合成组 件经受合成条件，在该合成条件下压力和温度使得溶剂-催化剂材料熔融，金刚石材料能 在籽晶晶粒上结晶，并且不发生金刚石晶粒的大量自发成核；布置该合成组件使得在该合 成条件下包含在该来源中的碳（包含在该来源中的至少一些碳，例如包含在该来源中的显 著部分或至少约一半的碳）可迀移通过溶剂-催化剂材料和在籽晶晶粒上结晶为金刚石材 料；该合成条件被维持足以将包含在该来源中的至少约50%、至少约60%、至少约70%、至 少约80% (以重量计）或基本上所有的碳材料转化为多个金刚石晶粒的合成时间；选择籽 晶晶粒的数目和包含在该来源中的碳材料的量，使得能通过超高压力炉维持该合成条件持 续合成时间；降低压力和温度，以及从该合成组件回收多个金刚石晶粒。该金刚石晶粒可为 基本上自形或半形的。
[0005] 通过本公开内容设想该方法的变体，其中以下为非限制性的、非穷举的实例。
[0006] 用于生长金刚石的碳材料的实例可包括石墨、碳黑或类金刚石碳（它包含由Sp2 和sp3共价键结合的碳原子）。在一些实例中，碳材料可以包含分散在该合成组件中的金刚 石粉末，其中该粉末晶粒可具有小于约3微米或小于约1微米的平均尺寸，和或其中该金刚 石粉末晶粒可为不规则形状的。虽然不希望被任何特别的理论束缚，但是金刚石材料可通 过奥斯特瓦尔德熟化法沉淀在籽晶晶粒上，其中细金刚石粉末溶解并且溶解的碳再沉淀在 较大的金刚石晶粒上。因此细金刚石粉末可作为用于生长金刚石晶粒的碳来源。
[0007] 在一些实例中，可选择包含在合成组件中的碳材料的质量，使得在合成时间结束 时基本上所有的碳材料被耗尽。
[0008] 在一些实例中，金刚石晶粒的平均尺寸可为至多约50微米或至多约20微米。在 各种实例中，合成的金刚石晶粒可具有至少10微米且至多50微米或至少10微米且至多20 微米的平均尺寸。
[0009] 籽晶晶粒可包含金刚石材料。籽晶晶粒可为金刚石晶粒，其可具有不规则的形状 或者其可为基本上自形或半形的。在一些实例中，籽晶晶粒的平均尺寸可为至少约〇. 5微 米或至少约1微米。在一些实例中，籽晶晶粒的平均尺寸可为至多约5微米或至多约3微 米。例如，籽晶晶粒的平均尺寸可为至少〇. 5微米且至多5微米。
[0010] 在一些实例中，溶剂_催化剂材料可包含金属材料。包含在合成组件中的溶剂-催 化剂材料的质量与碳材料的质量的比率可为至少约3或至少约4。包含在合成组件中的溶 剂-催化剂材料的质量与碳材料的质量的比率可为至多约7或至多约10。包含在合成组件 中的溶剂-催化剂材料的质量与碳材料的质量的比率可为至少约3且至多约10。
[0011] 在一些实例中，溶剂_催化剂材料可包含铁、镍、钴或锰或包括这些中的两种或更 多种的混合物。特别地，包含这些金属中的至少两种的粉末可基本上以共晶的比率掺混在 一起，使得组合的材料将在相对低的温度下熔化以形成熔融合金。例如溶剂-催化剂材料 可包含质量比为70:30的铁和镍粉末，或者它可包含质量比为80:20的钴和铁粉末。
[0012] 在一些实例中，该方法可包括提供包壳组件，该包壳组件包含缓冲组件和合成组 件，该缓冲组件基本上不含籽晶晶粒；其中配置和构造该缓冲组件和合成组件，使得超高压 力炉能够维持合成条件持续合成时间。该缓冲组件可包含至少一个压实缓冲体（如本文中 使用的，压实体将意味着包括压实的粒料材料的体）。在一些示例性布置中，包壳组件可包 含至少两个压实缓冲体，每个压实缓冲体在该合成组件的分别的相对端。
[0013] 在一些实例中，该缓冲组件可包含碳材料（即与包含在合成组件中的碳材料来源 基本上相同的形式的碳材料）。将布置该包壳组件使得将基本上防止可包含在缓冲组件中 的碳材料迀移到籽晶晶粒。包壳组件可包含阻挡结构，用于防止在合成条件下材料在合成 组件与缓冲组件之间大量转移。在一些实例中，溶剂_催化剂材料可包含金属材料并且缓 冲组件可包含碳材料；包壳组件中的溶剂-催化剂材料的组合质量与包壳组件中的碳材料 的组合质量的比率为至少1或至少1. 5且至多3或至多2。例如，该比率可为至少1且至多 3〇
[0014] 在该方法的变体中，缓冲组件可包含石墨以外的材料或由石墨以外的材料组成， 条件是包壳组件的总体机械性质使得可在合成组件内产生所需要的压力和温度并持续足 够长的时间以制备金刚石晶粒。
[0015] 在一些实例中，压力可为至少约5千兆帕或至少约5. 5千兆帕。在一些实例中，压 力可为至多约5. 9千兆帕。在一些实例中，压力可为至少约5. 5千兆帕且至多约5. 9千兆 帕。
[0016] 在一些实例中，超高压力炉可包含用于向包壳组件施加载荷的具有基本上为立方 体外部对称性的三对相互可相对的砧座（所谓的立方体压机）。在一些实例中，超高压力炉 可包含四面体布置的四个砧座（所谓的四面体压机）或超高压力炉可包含一对可相对的砧 座和限定用于容纳包壳组件的空腔的模具（所谓的带式压机）。在一些实例中，超高压力炉 可包含移动型机构，或活塞和气缸机构。
[0017] 在一些实例中，该方法可包括在金刚石不如碳来源热力学稳定的压力下加热该合 成组件以熔化催化剂材料，允许足够的时间使基本上整个合成组件体积中的催化剂材料熔 化，然后提高压力，使得压力或合成组件对于金刚石比碳来源热力学更稳定而言为足够高 的。
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