一种六方金刚石及其制备方法

本发明涉及金刚石制备的，尤其涉及一种六方金刚石及其制备方法。

背景技术：

1、金刚石是地球上最坚硬的天然物质之一，也是最知名和最珍贵的宝石之一。它由纯碳元素组成，具有独特的晶体结构和卓越的物理特性。金刚石因其卓越的硬度而受到广泛关注。它在莫氏硬度尺度上的评级为10，是最高级别的硬度，这使得金刚石成为许多工业和科学领域的理想材料，尤其是用于切割、磨削和研磨工具的制造。金刚石的硬度使其能够在极端条件下保持稳定，抵抗磨损和腐蚀。金刚石的性质源于其独特的sp3杂化结构，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。具有sp3杂化结构的碳具有两种晶体形式，被命名为立方金刚石(cd)以及六方金刚石(hd)。其中，六方金刚石由于其结构的优越性具有比立方金刚石更优越的机械性能。然而，由于其制备难度大，目前对其的研究还比较有限。

2、几十年来，石墨到金刚石的相变过程一直是一个受到广泛关注的主题。石墨和金刚石是碳的两种不同晶体形式，它们具有不同的晶体结构和物理特性。石墨是一种层状结构的物质，其晶体结构由碳原子形成的六角形层堆叠而成，这使得石墨具有良好的导电性和润滑性。而金刚石则是由碳原子紧密排列形成的立方晶体结构，具有卓越的硬度和光学透明性。石墨和金刚石之间的相变是一种重要的物理现象，被称为石墨-金刚石相变，这种相变在地球内部深处的高温高压条件下发生。当碳原子暴露于极端的高温高压环境下时，它们会重新排列并形成金刚石结构，从而实现从石墨向金刚石的相变。石墨-金刚石相变在地质学中具有重要意义。这种相变是构成地球内部的岩石和矿物形成的基础。通过研究石墨-金刚石相变过程，地质学家能够深入了解地球内部的高温高压条件，并推断地球的内部结构和演化历史。

3、此外，石墨-金刚石相变也在实验室中进行研究和应用。科学家们通过模拟地幔的高温高压条件，以及利用强大的压力装置和高温炉，成功地实现了石墨向金刚石的相变。这为材料科学和高压物理学领域提供了有关相变过程和金刚石的性质的重要信息。

4、然而，目前为止关于六方金刚石的制备技术都需要使用高温高压条件，操作和控制过程具备相当的复杂度，且设备和材料成本较高。此外，金刚石的合成过程需要耗费大量时间和能源，并且存在一定的失败率。现有技术通过在高温高压下使用dac对单晶石墨盘进行处理得到六方金刚石样品，这是一个复杂且高成本的制备过程，制备技术仍存在一定局限性，难以达到量产的标准。并且，由于制备条件限制，现有技术中所使用的样品是大小为60×20微米的圆盘形状大小的单晶石墨样品，对应制备得到晶体质量较小。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供了一种六方金刚石及其制备方法。本发明通过可视化手段和数据分析手段，实现同时在宏观和微观层面、图像与数值层面综合解释材料的相变机理，阐明不同实验条件出现不同产物的本质原因，解释实验中六方金刚石产量少且多数为孪晶的原因，并根据相变机理提出大规模合成六方金刚石的实验方案。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种六方金刚石的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)施加准单轴压力：在三个维度x-y-z的方向上对石墨材料施加压力，其中，所述x方向的压力为12-40gpa，y方向的压力为12-40gpa，z方向的压力为15-50gpa，且所述z方向的压力大于x方向和y方向的压力；

5、(2)加热升温：对石墨材料加热升温到300-2000k，保持时间为1min-5h，即制得六方金刚石。

6、本发明中，先对石墨材料在三个维度施加不同的压力，形成准单轴压力，使得石墨材料在最大受力方向上表现出与其他两个方向不同的响应；然后对石墨材料进行加热升温，制得六方金刚石。本发明制备得到的六方金刚石具有高纯度、良好的晶体结构。

7、优选地，所述步骤(2)中先对石墨材料的中心区域加热至900-2000k，周边区域温度保持在300-900k，保持1min-2h，再对石墨材料进行整体加热升温至900-1600k，保持1min-3h，即制得六方金刚石。

8、本发明采用先对石墨材料进行局部升温，石墨材料形成温度梯度，加热区域的温度处于高温高压状态，周边区域的温度处于高压低温的状态，石墨材料在局部高温下形成温场应力，六方金刚石成核；当六方金刚石成核后，改为整体加热升温，驱动金刚石核生长，即制得六方金刚石。采用局部升温的方式可以降低施加的压力，使得石墨材料在较小的压力强度下也能发生相变，制得的六方金刚石具有更高的纯度和更好的晶体结构。

9、优选地，所述步骤(1)中x方向的压力与y方向的压力相同。

10、优选地，所述步骤(1)中x方向的压力为15-25gpa，y方向的压力为15-25gpa，z方向的压力为18-30gpa。

11、优选地，所述步骤(1)中x方向的压力为20gpa，y方向的压力为20gpa，z方向的压力为30gpa。

12、优选地，所述步骤(1)中x方向的压力为30gpa，y方向的压力为30gpa，z方向的压力为40gpa。

13、优选地，所述步骤(2)中中心区域的温度为1500k。

14、优选地，所述步骤(2)中周边区域的温度为500k。

15、优选地，所述步骤(2)中对石墨材料的加热温度为1000k。

16、第二方面，本发明还提供了一种由上述方法制备所得六方金刚石。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

18、(1)本技术方案采用准单轴压力压缩的方法，得到石墨相变的产物为六方金刚石。若通过其他方式施加压力，例如施加绝对单轴压力或是静水压压力，得到石墨相变的产物大多数为立方金刚石，而非机械性能更加优良的目标产物六方金刚石。

19、(2)本技术方案采用局部高温的方法，可以降低相变所需的压力条件，且在产物为六方金刚石的压力条件下，样本须通过局部高温的方法成核，在整体高温加热的条件下成核非常困难。本技术方案通过准单轴压力压缩方法以及局部高温方法共同作用达到了降低反应条件的目标。

技术特征：

1.一种六方金刚石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中先对石墨材料的中心区域加热至900-2000k，周边区域温度保持在300-900k，保持1min-2h，再对石墨材料进行整体加热升温至900-1600k，保持1min-3h，即制得六方金刚石。

3.如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法其特征在于，所述步骤(1)中x方向的压力与y方向的压力相同。

4.如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中x方向的压力为15-25gpa，y方向的压力为15-25gpa，z方向的压力为18-30gpa。

5.如权利要求4所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中x方向的压力为20gpa，y方向的压力为20gpa，z方向的压力为30gpa。

6.如权利要求3所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中x方向的压力为30gpa，y方向的压力为30gpa，z方向的压力为40gpa。

7.如权利要求2所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中中心区域的温度为1500k。

8.如权利要求2所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中周边区域的温度为500k。

9.如权利要求1所述的六方金刚石的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中对石墨材料的加热温度为1000k。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述方法制备所得六方金刚石。

技术总结
本发明公开了一种六方金刚石及其制备方法，涉及金刚石制备的技术领域。一种六方金刚石的制备方法，包括以下步骤：(1)施加准单轴压力：在三个维度x‑y‑z的方向上对石墨材料施加压力，其中，x方向的压力为12‑40GPa，y方向的压力为12‑40GPa，z方向的压力为15‑50GPa，且z方向的压力大于x方向和y方向的压力；(2)加热升温：对石墨材料加热升温到300‑2000K，保持时间为1min‑5h，即制得六方金刚石。本发明制备的六方金刚石具有更高纯度、更好的晶体结构。

技术研发人员：朱升财,陈顾文,邓溥
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16