专利名称：对高取向热解石墨材料之嵌镶展度的调节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将高取向热解石墨(HOPG)的嵌镶展度(mosaic spread)移至一较窄的预选范围内的方法。
石墨单色器是高取向形式的高纯度热解石墨，这种器件对X-射线或中子进行衍射，产生单色的X-射线和/或中子束，可在分光计中使用，用以测量晶体材料的特性。
石墨单色器按其嵌镶展度的特点进行分类。嵌镶展度是在HOPG材料样品以一较佳取向倾斜并由此产生称作“摆动曲线”(rocking curve)的较佳取向X-射线衍射曲线时对其反射的X-射线束之半最大强度宽度的量度。摆动曲线是经反射的X-射线强度作为偏离参考平面之角度的函数的曲线图，通过运用布喇格定律，可确定角偏向。对每个HOPG样品确定其摆动曲线，从而将HOPG的嵌镶展度分成不同的嵌镶展度标准范围。
当用户需要购买HOPG单色器时，可根据对应于不同嵌镶展度范围的标准等级进行选择。HOPG材料的一个产品等级为3.5°±1.5°，具有较宽的嵌镶展度范围。但是，用户可能需要一种特殊等级的HOPG材料，其嵌镶展度范围较窄，例如为(±0.25°)。目前要满足这种需要，会不利地影响由传统加工的HOPG材料的成品率。对于上述举例，由传统加工制成的HOPG材料中只有约30％能够满足±0.25°的较窄的嵌镶展度规格。
从嵌镶展度低于该材料最终需要的嵌镶展度规格的HOPG加工材料开始，本发明的方法可以保证HOPG材料的成品率高达100％，使其嵌镶展度符合任何所需的预选的窄范围。
本发明的方法包括以下步骤，选择HOPG材料样品，样品的嵌镶展度低于所需的嵌镶展度范围；对所选样品进行冷加工，压制足以将样品嵌镶展度移至所需嵌镶展度范围内的表面纹理。纹理化表面最好通过在金属模具之间对样品加压来压制，金属模具中至少有一个具有的压花表面。
结合附图阅读以下关于本发明的详细描述，将清楚本发明的优点，其中
图1是一透视示意图，示出了用于产生HOPG样品之摆动曲线从而建立其嵌镶展度的设备；
图2是根据本发明用于对HOPG样品进行冷加工的金属模具布置的示意图；图3是依照本发明用于对HOPG样品进行冷加工的另一个类似于图2的布置实施例。
图4是一曲线图，示出了本发明将嵌镶展度调节到高于调节前嵌镶展度大小的任何所需范围内的原理。
石墨由碳原子排列成六角阵列或网状物的层状平面构成。碳原子按六角形排列的这些层状平面基本上是平坦的，并且有一定取向，由此层状平面相互间基本平行且间距相等。基本平坦的碳原子平行层称为底面(basal plane)并且被连接或束缚在一起，按微晶形式排列成组。传统或电解石墨的微晶无序。高度有序化石墨具有高的较佳微晶取向。因此，可将石墨表征为具有两根主轴的碳原子层状结构，此两根主轴为一般表示垂直于碳原子层的轴或方向的“c”轴和平行于碳原子层或垂直于c轴的“a”轴或方向。呈现高度取向的石墨材料包括天然石墨和人造石墨或热解石墨。热解石墨是在一合适的衬底上在高温下热解含碳气体而形成的。简要地说，是在一加热炉中进行热解淀积过程，其中加热炉的温度在1500℃以上且高达2500℃，还具有适当的压力，将诸如甲烷、天然气或乙炔等碳化氢气体引进加热炉，并在诸如石墨等具有任何所需形状的含合适成份的衬底表面上使气体热分解。从热解石墨上去除或分离衬底。然后，再在高温下对热解石墨进行热退火，形成通常称为“HOPG”或“TPG”材料的高取向热解石墨。就本发明而言，“高取向热解石墨”(HOPG)是指已在大致等于或高于3000℃的高温下退火的热解石墨。通常将HOPG样品制成平板或者单面弯曲和双面弯曲的形状。
HOPG板状样品的结构和较佳取向可以通过X-射线衍射来确定。图1示出了用来产生摆动曲线的装置。X-射线源101的光源发散角很小，一般为1°或更小，它将单色的X-射线103射到样品105上。检测器107放在2θ位置，检测样品反射的X-射线束109。反射的X-射线束109在对应于从样品晶格底面布喇格(002)反射的样品角(φ)上呈现峰值强度。X-射线束反射的角度2θ可用布喇格定律(λ＝2dsinθ)来计算，其中λ是单色X-射线束的波长、d是晶体的层间间距，而θ是布喇格角。在本情况下，用CuKα(波长为1.54埃)的X-射线源产生X-射线。样品105在X-射线束103内绕A-A轴旋转。当样品105旋转时，检测X-射线的强度，包括对应于002底面上布喇格反射的强度峰，从而形成反射的X-射线强度对样品旋转角(θ)的摆动曲线。摆动曲线是反射X-射线的强度曲线图，该强度是从参考平面算起的角度的函数，在热解石墨的情况下，参考平面即淀积面。因此0°角处的峰表示与由衬底确定的淀积面平行的底面(002)。摆动曲线上峰的“FWHM”是峰的半最大强度的宽度。FWHM是002平面较佳取向程度的度量，其中高取向晶体结构产生较小的FWHM(窄峰)，而取向差的晶体结构产生较大的FWHM(宽峰)。嵌镶展度是对从HOPG样品反射的X-射线的FWHM(半最大强度全宽度)强度的角度度量，并且嵌镶展度因样品不同以及加热炉内的条件变化而变化。
嵌镶展度为3.5°±1.5°的高取向热解石墨(HOPG)被广泛用作中子能谱测定法中对高阶(order)中子过滤的过滤器。依照本发明，可通过在室温下对样品进行冷加工，使常规生产的嵌镶展度低于所需范围的HOPG嵌镶展度增大，落入所需的范围。
图2示出了实施本发明的一个实施例，该实施例包括一个圆柱体12和两个压花的金属模具13和14。把嵌镶展度低于所需嵌镶展度的HOPG样片10置于圆柱体12内的模具13和14之间。在室温下，用水压机(B)对样品施加高达5000磅/英寸2的压强。在该压强下持续5-30秒后，撤除压力并取下HOPG。为获得最佳结果，将模具13和14的压花表面15和16沿圆柱体12固定，使一个模具上的表面突出部分与另一模具上的凹陷部分吻合，即，压花表面最好用“方格”刻纹交错(在与图2所示刻纹成90°的位置还制有另一组刻纹)。图2和图3将刻纹18和19放大了10-20倍，带刻纹的压花表面15和16的深度最好在0.005-0.010英寸之间，间距为0.015-0.030英寸。尽管最好使用钢制模具，因为它有较佳的耐磨性，但也可使用黄铜和不锈钢模具。
图3是图2实施例的变化。这里，HOPG样品被压在一个压花模具20和一个固定在光滑平板模具22上的模垫21之间，其中模垫21由变形的材料(诸如厚度为0.010-0.020英寸的纸)制成。该方法也能在HOPG的整个厚度上获得所需的纹理，从而提高嵌镶展度。对于该系统，由于相对平板模具不需要任何特殊的定向，所以不必将压花模具20与圆柱体12固定。
在用压花模具13和14压制后，测量HOPG的嵌镶展度。如果嵌镶展度太大，则再将HOPG放在光滑平板模具(未示出)之间压制，所用压强通常比压花模具所施加的压强小，但最好在500-5000磅/英寸2范围内。在某些情况下，需要在压花模具和光滑模具之间重复压制，以使嵌镶展度位于严格的(非常窄的)规格范围内。
图4示出了本发明的55个例子。其中○表示用常规方法加工的HOPG的嵌镶展度；△表示在压花金属模具之间压制一次或多次后的嵌镶展度；◇表示在光滑金属模具之间压制一次或多次后的嵌镶展度。每片HOPG样片的尺寸为34.5×27.1×1.5毫米。这些用常规方式加工的样片的中子嵌镶展度为1.52-2.34°。假设所希望的中子嵌镶展度为2.50-3.00°。经过用压花模具进行一次或多次压制，这些样片中的25片满足上述要求。用压花模具压制后，其余30片样片的嵌镶展度处于3.03-4.13°之间。然后，将这30片样片放在光滑平板模具之间压制一次或多次，使其嵌镶展度下降到2.50-3.00°之间。由于放在压花模具之间压制可以增大嵌镶展度，而放在光滑模具之间压制可使嵌镶展度再次降低，所以显然通过多次压制可使嵌镶展度的变化更小，例如±0.05°。
以下从图4中选出一些具体的例子，进一步说明本发明。对于每个例子，都有以下恒定的条件。HOPG样片的大小皆为34.5×27.1×1.5毫米。黄铜或钢制模具的直径为2英寸。在马里兰州盖瑟斯堡市的国家工业技术标准协会(N.I.S.T)，用中子导向器(guide)5的SPINS仪器在4.15埃测量了HOPG(002)反射的中子嵌镶展度。
例1(样片1)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.04°。将其放在方格刻纹深度为0.005英寸、间距0.015英寸的压花不锈钢模具之间，用压强5000磅/英寸2压制15秒。压制后，HOPG的中子嵌镶展度为2.97°。
例2(样片2)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.24°。将其放在方格刻纹深度为0.010英寸、间距0.030英寸的压花黄铜模具之间，用压强5000磅/英寸2压制15秒。压制后，HOPG的中子嵌镶展度为3.52°，该值高于所希望的范围2.50-3.00°。再将HOPG样片放在光滑黄铜模具之间，用压强2500磅/英寸2压制15秒。该操作使HOPG的嵌镶展度下降至2.64°。
例3(样片3)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.03°。将其放在方格刻纹深度为0.010英寸、间距0.030英寸的压花黄铜模具之间，用压强5000磅/英寸2压制15秒。检测压制后的HOPG，然后再用压强5000磅/英寸2压制15秒。经两次压制后，HOPG的中子嵌镶展度为2.52°。
例4(样片18)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.21°。将其放在方格刻纹深度为0.010英寸、间距0.030英寸的压花黄铜模具与固定有0.015英寸厚的纸垫的光滑黄铜模具之间压制。压强为5000磅/英寸2，持续15秒。检测HOPG，然后再在相同的条件下压制。经这两次压制后，中子嵌镶展度为3.19°。用平板黄铜模具进行第三次压制，压强为2500磅/英寸2，持续15秒。这次压制使中子嵌镶展度降至2.57°。
例5(样片35)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.12°。将其放在方格刻纹深度为0.010英寸、间距0.030英寸的压花黄铜模具之间，用压强5000磅/英寸2压制15秒。这次压制后，HOPG的中子嵌镶展度为3.57°。然后将HOPG放在光滑黄铜平板模具之间用压强2800磅/英寸2压制15秒。这次操作使嵌镶展度降至3.14°。接下来，在光滑黄铜模具之间用压强5000磅/英寸2对HOPG压制15秒2次。HOPG最终的中子嵌镶展度为2.85°。
例6(样片49)该HOPG样片的初始中子嵌镶展度为2.31°。将其放在方格刻纹深度为0.005英寸、间距0.015英寸的压花黄铜模具之间，用压强5000磅/英寸2压制15秒。这次压制后，HOPG的中子嵌镶展度为3.11°。然后将HOPG放在光滑不锈钢模具之间用压强3000磅/英寸2压制15秒。HOPG样品的最终中子嵌镶展度为2.60°。
权利要求
1.一种将高取向热解石墨(HOPG)的嵌镶展度移到预选的嵌镶展度范围内的方法，其特征在于，包括以下步骤选择嵌镶展度低于所述预选嵌镶展度范围的HOPG样品；对选中的样品进行冷加工，形成足以使冷加工后样品的嵌镶展度移到所述预选嵌镶展度范围内的表面纹理压痕。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷加工步骤是在至少一个模具具有压花表面的两个模具之间压制样品来完成的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，另一个模具包含一个由可变形材料制成的固定在光滑平面上的模垫。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可变形材料是纸。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述模具具有一个压花表面。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用两个金属模具形成纹理化表面，把每个模具的压花表面相对于另一个压花表面布置，使它们交错。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属模具由不锈钢制成，每个模具的压花表面形成刻纹，刻纹横截面的深度在0.005-0.010英寸范围内，间距在0.015-0.030英寸范围内。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，用相当高的第一压强压制HOPG样品。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用低于所述第一压强的第二压强对所述样品进一步压制，从所述第一次压制所形成的嵌镶展度再次向下调节所述样品的嵌镶展度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述样品的所述进一步压制是在具有光滑平面的模具之间进行的。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，用于进行所述第二次压制的所述模具由黄铜制成。
全文摘要
本发明旨在提供一种将高取向热解后墨(HOPG)的嵌镶展度移到预选的较窄范围内的方法,该方法包括:选择嵌镶展度低于所需嵌镶展度范围的HOPG样品;对选中的样品进行冷加工,形成足以使冷加工后样品的嵌镶展度移到所需嵌镶展度范围内的表面纹理压痕。纹理化表面的压制最好是将样品放在至少一个模具具有压花表面的两个模具之间进行。
文档编号G01N23/20GK1180902SQ9712054
公开日1998年5月6日 申请日期1997年10月10日 优先权日1996年10月11日
发明者威廉·穆尔·阿瑟 申请人:高级陶瓷有限公司