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小知識第15期：粉末觸媒會逐漸取代片狀觸媒？為什么說FeNi粉末觸媒合成的金剛石具有良好熱沖擊性能？粉末觸媒合成工藝特點是什么？

1、為什么說粉末觸媒會逐漸取代片狀觸媒？

在金剛石人工合成技術的歷史進程中，人們首先是用金屬粉降低了金剛石合成的溫度和壓力，從而發明了人造金剛石生產的新技術；而后采用片狀觸媒獲得了較粗顆粒的工業用人造金剛石；在相當一段時間內，人們采用粉末觸媒合成細顆粒人造金剛石。直到20世紀80年代末期，德國Winter公司成功地在兩面頂超高壓裝置上開發出粉末觸媒合成粗顆粒高強度金剛石的工藝，實現了粉末觸媒工業化生產高品級金剛石的突破。由于粉末觸媒合成金剛石具有單產高、質量好、原輔材料消耗小等優點。20世紀90年代以來，DeBeers公司與G.E.公司均采用粉末觸媒進行高品級金剛石的生產，并壟斷了高檔金剛石的國際市場。由于金剛石的巨大商業價值，有關的技術一直未公開。
近年來我國金剛石行業正在進行粉末觸媒及其金剛石合成工藝的研究開發，粉末觸媒和石墨合成金剛石在質量、產量和硬質合金消耗等諸多方面均具有明顯優勢，將成為我國金剛石行業走出低谷、跨上新臺階的重要途徑。合成金剛石常用的觸媒材料主要有鎳基、鐵基和鈷基合金。鈷基觸媒催熔性好，但價格昂貴，國內很少使用。鎳基觸媒合成金剛石產量稍低，但所得金剛石晶形好，晶體內部雜質少、磁性弱，具有較高的抗壓強度；鐵基觸媒活性大，合成單產高熔碳能力強，合成參數也較好。目前，國內普遍使用的片狀NiMnCo觸媒，粗顆粒、高強度金剛石產出率極低，而且無法合成靜壓密度20kg以上的金剛石。觸媒的形態對合成金剛石的性能和產量有很大影響，粉末觸媒克服了片狀觸媒成材率低的弊端，粉末觸媒與片狀觸媒相比具有更大的表面積。例如Φ23mm的合成腔體，采用0.3mm的片狀觸媒，表面積831mm2,而采用相應粉末觸媒，表面積可達3819mm2；其次粉末觸媒和石墨粉料可充分混合，接觸（反應）面積大，可大幅度提高合成單產，有利于粗顆粒、高強度金剛石生成，而且采用Fe替代Ni制備Fe基觸媒有利于大幅度降低觸媒的成本，如過去所用的觸媒金屬含Ni、Co等國內資源較少的原料，而粉末觸媒（尤其是Fe基觸媒）含有70%左右的Fe,這既解決了資源缺乏的問題，也大大地降低了生產成本。

2、為什么說FeNi粉末觸媒合成的金剛石具有良好的熱沖擊性能？

金剛石的熱沖擊強度的降低主要是由于晶體內部存在金屬包裹體所致，由于金屬的熱膨脹系數遠遠大于金剛石的熱膨脹系數，晶體在合成中生成的金屬包裹體在高溫時受熱膨脹，將在晶體內部產生很大的應力，導致大量新缺陷的產生；在高溫條件下，缺陷自身也會發生移動、長大的現象，最終導致金剛石破碎。而FeNi粉末觸媒合成的金剛石晶體內較為純凈，包裹體總量不多，分布較為細小彌散，無氣泡出現，因此具有良好的熱沖擊性能。

3、為什么采用粉末觸媒合成金剛石時金剛石品級和晶型完整率提高了？

這是因為：①采用粉末觸媒合成的金剛石溫度場、壓力場均勻，有利于金剛石形核生長。②粉末觸媒與石墨混合合成金剛石，能保證金剛石生長過程中有足夠的碳源，且碳的供給是從三維方向提供，所以金剛石在空間三維生長，提高了金剛石的對稱性和晶形完整性，有利于獲得粗顆粒、高強度金剛石。

4、粉末觸媒合成工藝特點是什么？

? ?最具特色的工藝特點是：
(1)暫停時間長。一般片狀觸媒的暫停時間為23~35s,用較長時間的也僅用到 50~60s,在大腔體上也僅用到60~80s。而在粉末觸媒合成工藝中，一般都要用到180s左右，而且暫停時間一且變短，合成效果馬上就變差。(2)兩次（或多次）合成壓力。粉末觸媒合成工藝使用合成壓力一般都取兩次（或多次）。即初始合成壓力和終止合成壓力。