适合不同规格压机的条件下的大颗粒金 刚石单晶的生长。
[0033] 上下端的导电片1分别与六面顶油压机的两个导电顶锤(未出示)接触，油压机的 加热变压器(未示出）提供的低压电流通过导电顶锤、导电片10、导电石墨环11和石墨管14 形成加热回路，低压电流通过石墨管14产生热量，叶腊石块12、白云石环13及上下端盖19起 到密封、传压和保持温度的作用。石墨管14产生的热量经绝缘套15传热至腔体内部，保证晶 体生长需要的温度。石墨块17与金属触媒块18在达到共晶温度时会互溶，碳在温度差ΛΤ的 作用下逐渐移向金属触媒块18的底部晶种位置，晶种可以按照图7给出的几种方式在金属 触媒块18的底部排列。当腔体内达到高于石墨块17与金属触媒块18共晶温度20-60°C时，晶 种的{100}面会生长并保持优先。
[0034]上述用于大颗粒金刚石单晶的生长腔体内可同时植入3-30粒晶种，大幅度提高了 生产效率。同时申请人发现，晶种的排列方式对晶体的生长具有较大的影响，造成这种影响 的原因主要是金刚石晶体良好的导热性扰乱了腔体内的温度场分布。图7给出了为四和五 粒晶种的不同排列方式，通过实施例发现将晶种均匀的分布在同心圆周线上的方式更利于 晶体的均匀生长。
[0035]本发明中分别采用FeCoTi合金和FeNi合金作为大颗粒金刚石单晶生长的金属触 媒。其中FeCoTi合金用于无色（Ila型)大颗粒金刚石单晶的生长，FeNi合金用于黄色（la型） 大颗粒金刚石单晶的生长。FeCoTi合金中三种元素的质量分别占70% (Fe)、27% (Co)和3% (Ti)，FeNi合金中三种元素的质量分别占64% (Fe)和36% (Ni)，杂质含量参考相应或相近 合金牌号的国家标准要求。采用天然鳞片状石墨作为碳源材料，石墨的碳含量不小于 99 · 9 %，粒度为60目，30-50MPa压力下压制成型。
[0036]根据本发明的方法，只要正确的控制晶体生长的温度及压力条件，就能生长出粒 径大于10_的大颗粒金刚石单晶；以下给出几个具体实施例详细说明。
[0037] 实施例1
[0038] 本实施例中，石墨管14的壁厚S = 0.8mm，Si02和Zr02混合料压制的绝缘槽15的壁厚 δ = 3mm。石墨块17由含碳量大于99.9%、粒度为60目的天然鳞片石墨在30-50MPa压力下压 制成型。金属触媒块18为FeCoTi合金。导电石墨片7在30-50MPa压力下压制成型，5 = 4mm。
[0039] 分别植入5颗、11颗和15颗晶种，晶种排列方式分别如图6中的c5、dl5和ell选择晶 型为正六面体、粒径1.0mm的la型金刚石单晶作为晶种，采用晶种的{100}面为生长面。
[0040] 晶体生长时间为160小时，生长时的压力条件是5.6GPa，加热电压U = 4.05V，晶体 生长温度为1400°C，温度差为20°C。图8给出了用有限元计算的该晶体生长的腔体内的温度 分布。
[0041] 晶体生长情况如下表所示，晶型多呈正四面体，晶体内基本无杂质，大部分产品达 到宝石级水平，但生长的晶体尺寸偏小，最大晶体尺寸仅有6mm，晶体生长缓慢，生长速度低 于0.04mm/h。分析原因：腔体内达到了晶体的生长温度1400°C，但因温度差仅为30°C，晶体 生长动力不足。
[0042]
[0044] 实施例2
[0045] 本实施例中，石墨管14的壁厚S = 〇.8mm，Si〇2和Zr〇2混合料压制的绝缘槽15的壁厚 δ = 2mm。石墨块17由含碳量大于99.9%、粒度为60目的天然鳞片石墨在30-50MPa压力下压 制成型。金属触媒块18为FeCoTi合金。导电石墨片16在30-50MPa压力下压制成型，5 = 4mm。
[0046] 分别植入5颗、11颗和15颗晶种，晶种排列方式如图7的c5、dl5和ell所示，选择晶 型为正六面体、粒径1.0mm的la型金刚石单晶作为晶种，采用晶种的{100}面为生长面。 [0047]晶体生长时间为160小时，生长时的压力条件是5.7GPa，加热电压U = 4.05V，晶体 生长温度为1410°C，温度差为60°C。图9给出了用有限元计算的该晶体生长腔体内的温度分 布。
[0048]晶体生长情况如下表所示，晶型多呈正八面体，大部分晶体内有杂质，只有30%的 产品达到宝石级水平，最大晶体9mm/3.6CT，晶体生长快速，生长速度大于0.05mm/h，有部分 自发成核晶体生长。分析原因腔体内实际温度差高于有限元计算值60°C，晶体生长偏离了 设定的生长区域。
[0049]
[0051 ]注:生长数量多于植晶数量是因为自发成核生长。
[0052] 实施例3
[0053] 本实施例中，石墨管14的壁厚S = 〇.8mm，Si〇2和Zr〇2混合料压制的绝缘槽15的壁厚 δ = 2mm。石墨块17由含碳量大于99.9%、粒度为60目的天然鳞片石墨在30-50MPa压力下压 制成型。金属触媒块18为FeCoTi合金。导电石墨片16在30-50MPa压力下压制成型，厚度δ = 6mm 〇
[0054]分别植入5颗、11颗和15颗晶种，晶种排列方式如图7的c5、dl5和ell所示，选择晶 型为正六面体、粒径1.0mm的la型金刚石单晶作为晶种，采用晶种的{100}面为生长面。 [0055]晶体生长时间为160小时，生长时的压力条件是5.8GPa，加热电压U = 4.05V，晶体 生长温度为1430Γ，温度差为50°C。图10给出了用有限元计算的该晶体生长腔体内的温度 分布。
[0056]晶体生长情况如下表所示，晶型呈六面体和八面体，部分晶体内有少量杂质，大部 分产品达到宝石级水平，最大晶体8mm/2.8CT，生长速度0.05mm/h。
[0057]
[0058] 实施例4
[0059] 本实施例中，石墨管14的壁厚S = 0.8mm，Si02和Zr02混合料压制的绝缘槽15的壁厚 δ = 2mm。石墨块17由含碳量大于99.9%、粒度为60目的天然鳞片石墨在30-50MPa压力下压 制成型。为FeCoTi合金。导电石墨片16在30_50MPa压力下压制成型，厚度5 = 6mm。
[0060] 本实施例是在实施例3的基础上，将FeCoTi合金的金属触媒块18更换为FeNi触媒， Fe和Ni质量比为64%和36%。
[0061 ]晶体生长时间为240小时，生长时的压力条件是5.9GPa，加热电压U = 4.05V，晶体 生长温度为1450°C，温度差为40°C。
[0062]晶体生长情况如下表所示，生长晶体类型为la型(含N)金刚石单晶，晶型呈六面体 和八面体，晶体内基本无杂质，部分产品达到宝石级水平，最大晶体l〇mm/6.5CT。
[0063]
[0064] 上述实施例通过计算机有限元分析和模拟试验，对大颗粒金刚石生长腔体进行优 化设计后进行了实例生长，在实例生长过程中设计完善了温度、压力的电气控制系统，根据 金刚石生长过程中反应出来的电压、电流和温度数据随时调整加热电压，并辅之以外部的 冷却系统，能够快速的解决图4所示晶体生长面由A点向B点的转变的趋势，保证a)和b)所述 的生长条件的稳定。本发明进行大颗粒金刚石单晶的实例生长时采用的是晶种的{100}面 作为生长面。
【主权项】
1. 一种人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，其特征是： 采用粒径0.5-lmm的金刚石晶种的一个{100}面作为生长面，将金刚石晶种置于金属触 媒的底部;在晶体生长之前，加热使石墨与金属触媒达到共晶点温度，然后逐渐提高温度至 高于石墨与金属触媒共晶点温度20-60°(：，并严格保持该温度，在5.66? &-5.96?&高压环境 下，使晶种的{100}面的生长始终处于优势。2. 根据权利要求1所述人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，其特征是:所述金刚石晶种 均匀的分布在同心圆周线上。3. 根据权利要求1所述人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，其特征是:所述金属触媒采 用FeCoTi合金或FeNi合金，FeCoTi合金中三种元素的质量分别占70%、27%和3%^6附合 金中两种元素的质量分别占64%和36%。4. 根据权利要求1所述人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，其特征是:所述碳源采用天 然鳞片状石墨，石墨的碳含量不小于99.9%，粒度为60目，在30-50MPa压力下压制成块状。5. -种人工生长大颗粒金刚石单晶的装置，包括导电片、导电石墨环、耐火保温套、石 墨管、绝缘槽和导电石墨片;其特征是：导电石墨片和绝缘槽设置在石墨管内，导电石墨片 设置在绝缘槽的开口处，两者形成金刚石单晶生长的封闭空间，石墨管的外侧设置有耐火 保温套，石墨管的上端和下端均设置有端盖，端盖内设置有导电石墨环，端盖的外侧设置有 导电片，导电石墨环的两端分别与石墨管和导电片接触。6. 根据权利要求1所述人工生长大颗粒金刚石单晶的装置，其特征是:所述耐火保温套 是在叶腊石块内套装白云石环而成。
【专利摘要】一种人工生长大颗粒金刚石单晶的方法及装置，所述方法是采用粒径0.5-1mm的金刚石晶种的一个{100}面作为生长面，将金刚石晶种置于金属触媒的底部，加热使石墨与金属触媒达到共晶点温度20-60℃，并严格保持该温度，在5.6GPa-5.9GPa压力下，使晶种的{100}面的生长；所述装置包括导电片、导电石墨环、耐火保温套、石墨管、绝缘槽和导电石墨片；导电石墨片和绝缘槽设置在石墨管内，导电石墨片与绝缘槽形成金刚石单晶生长的封闭空间，石墨管的外侧设置有耐火保温套，石墨管的上端和下端均设置有导电片。本发明有效避免了大颗粒金刚石单晶生长过程中的金属夹带现象，生长出了粒径大于10mm的大颗粒金刚石单晶，大幅度提高生产效率。
【IPC分类】C30B29/04, C30B11/14
【公开号】CN105648526
【申请号】
【发明人】王笃福, 王盛林, 王希江, 潘子明, 王希玮, 徐昌
【申请人】济南中乌新材料有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月6日...