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基础与趋势3

第一篇 超硬材料基础与发展趋势3

第1章 从地球科学到超硬材料3

1.1高压技术概述3

1.1.1动态高压与静态高压3

1.1.2地球各圈层的温度和压力5

1.1.3地球科学对静态高压和动态高压的启示5

1.1.4天然金刚石的发现及其他6

1.2动态高压与静态高压的基本标志7

1.2.1压力分类7

1.2.2静态高压和动态高压与超硬材料的实际概念7

1.3静态高压的创始8

1.3.1布里奇曼（Percy Williams Bridgman，1882—1961）简述8

1.3.2毛河光简述9

1.4人造金刚石的探索与发明9

1.4.1人造金刚石的探索9

1.4.2人造金刚石的发明10

1.5目前国内静态高压体系10

1.5.1国家超硬材料重点实验室11

1.5.2当前实验室在超硬材料方面已开展的工作及评述11

1.6立方氮化硼和新超硬材料BCN14

1.6.1超硬材料理论类型14

1.6.2新型超硬材料——立方氮化硼的优异性能14

1.7人造金刚石及立方氮化硼的品种类型15

1.7.1人造金刚石15

1.7.2立方氮化硼18

1.7.3类超硬材料BCN18

1.8结论19

第2章 金刚石行业超高压技术的发展20

2.1超高压技术的发展20

2.1.1概述20

2.1.2国外两面顶超高压技术的发展21

2.1.3我国超高压技术的发展22

2.1.4两种超高压技术的抉择问题23

2.1.5结语24

2.2中国超硬材料的现状与发展趋势25

2.2.1人造金刚石发展形势25

2.2.2超硬材料制品的发展状况及进展27

2.2.3展望与思考29

第3章 高品质人造金刚石现状与综合性能对比实验研究31

3.1用动态观念分析超硬材料国际形势31

3.1.1两大强霸改组转轨的动向31

3.1.2其他国家停产、保产甚多32

3.1.3技术实力还相当雄厚32

3.2运用动态观念分析超硬材料国内形势32

3.2.1 2003—2004年是六面顶大压机高速发展的时期32

3.2.2 120MPa～125MPa设计和需求明显增多33

3.2.3六面顶直径600～650mm缸径压机将在今后几年成为主导设备33

3.2.4大型规模化效应的驱动33

3.2.5国际金刚石市场：中、高品级的金刚石需求正趋向中国33

3.3中国的高品质人造金刚石34

3.3.1高品质金刚石总的评述34

3.3.2六面顶压机提高人造金刚石关键技术34

3.3.3大顶锤技改后配套技术已完善35

3.3.4粉末触媒工艺技术快速发展35

3.4国内外中高档金刚石综合性能对比实验研究35

3.4.1引言35

3.4.2实验材料及方法36

3.4.3结果与讨论36

3.4.4结语40

3.5金刚石行业应迎接新的挑战40

超硬材料科学与技术45

第二篇 超高压高温装备与高精度控制系统45

第4章 铰链式六面顶超硬材料液压机45

4.1概述45

4.2国产铰链式六面顶超硬材料液压机的基本原理47

4.2.1机械结构47

4.2.2液压系统49

4.3代表机型——CS-Ⅵ（HD）型6×20000kN六面顶液压机52

4.3.1主要技术指标53

4.3.2主要技术创新点53

4.3.3各部机构要点54

4.4结论58

4.4.1国产铰链式六面顶超硬材料液压机的主要优点58

4.4.2国产铰链式六面顶超硬材料液压机目前的主要问题58

第5章 新型大压机制造中若干问题与如何提高压机制造吨位60

5.1引言60

5.2当前大压机发展现状及改进意见60

5.2.1关于能力问题60

5.2.2谈谈设计的基本构思61

5.2.3关于设备加工精度问题62

5.2.4关于压机吨位问题62

5.2.5关于增压器问题62

5.2.6关于油路系统问题63

5.3对主机设计的几点看法63

5.3.1关于浮动原理63

5.3.2关于主机的兜底缸、球底缸和铰链梁64

5.3.3关于密封件65

5.4关于大型六面顶压机工作压力提高到120MPa～125MPa的建议65

5.4.1引言65

5.4.2设计125MPa六面顶的指导思想和主要依据66

5.4.3 120MPa～125MPa大型六面顶压机设计可靠性68

5.4.4结语69

5.5结论70

第6章 具有中国特色的六面顶液压机的研制现状和优势74

6.1中国超硬材料合成高压设备的发展74

6.1.1两面顶、四面顶与六面顶74

6.1.2 20世纪70年代多种形式液压机75

6.1.3两面顶液压机与六面顶液压机之争75

6.2目前六面顶压机高品质金刚石的基本评估76

6.2.1 2005年的评述76

6.2.2现阶段的评述77

6.3六面顶金刚石液压机的优点78

6.3.1六面顶金刚石液压机的一般性优点78

6.3.2新式六面顶压机的优点78

6.4国际已经全面认可的中国六面顶液压机78

6.5压机大型化步伐加快79

6.6六面顶压机设计制造工艺水平不断提高79

6.6.1主机结构设计制造方面80

6.6.2液压控制方面81

6.6.3电气控制方面81

6.7六面顶压机应用及其优势82

6.7.1六面顶压机得到广泛应用82

6.7.2六面顶压机所具有的优势83

6.8六面顶压机进一步发展的趋势83

6.9结论84

第7章 大型压机高精度全自动微机电控及群控系统85

7.1导言85

7.2对系统压力要求采用变频动态补压方式85

7.3对合成腔体内的温度控制要求非恒功率曲线控制87

7.4控制系统设计原理87

7.4.1小泵变频动态补压压力曲线控制原理87

7.4.2加热非恒功率曲线控制原理88

7.4.3有关A/D转换模块控制精度问题88

7.4.4程序设计89

7.5控制系统特点89

7.6新型控制两台及多台（群控）系统90

7.7使用效果92

7.8结论92

第8章 高压形成的重要构件——顶锤93

8.1硬质合金顶锤质量的评价93

8.2硬质合金顶锤成分与制作工艺的选择94

8.3顶锤受力状态的研究96

8.4大压机顶锤设计若干问题的思考97

8.4.1合成腔体与设备吨位和使用顶锤顶面边长的关系97

8.4.2顶锤小斜面的角度讨论98

8.4.3顶锤底面直径与顶面边长的关系及数值的确定98

8.4.4顶锤高度的确定99

8.4.5顶锤小斜边长度的讨论100

8.4.6结语100

8.5大顶锤生产中应注意的若干问题100

8.5.1压机大型化的主要趋势100

8.5.2大型顶锤应运而生与技术改造101

8.5.3大顶锤生产中应防范的三大问题101

8.5.4结语103

8.6当前降低顶锤消耗应注意的若干问题103

8.6.1顶锤的失效处理和合理保护103

8.6.2查顶锤受力不均因素104

8.6.3查顶锤受热不均因素105

8.6.4努力提高顶锤寿命，积极提高企业效益105

第三篇 超硬材料合成主要原辅材料113

第9章 传压介质——叶蜡石、白云石矿物学研究与作用分析113

9.1合成金刚石生产中叶蜡石传压密封材料矿物学研究113

9.1.1显微结构研究114

9.1.2 X射线粉末衍射分析114

9.1.3化学成分研究114

9.1.4结果讨论115

9.2白云石内衬材料在合成金刚石传压密封介质中的作用116

9.2.1引言116

9.2.2白云石内衬材料的组成117

9.2.3白云石内衬材料的变化117

9.2.4白云石内衬材料的作用119

第10章 传压介质合成块研制的新进展121

10.1关于叶蜡石和白云石及其他添加剂的基本要求121

10.1.1叶蜡石成分要求121

10.1.2白云石的基本要求122

10.2混合型组装块123

10.2.1整体型123

10.2.2分体型123

10.2.3复合分体型124

10.2.4 NaCl分体型124

10.2.5新式整体复合型124

10.2.6几种组装的优缺点125

10.3非立方体的叶蜡石块125

10.3.1预密封边叶蜡石块125

10.3.2粉压成型预密封边叶蜡石块125

10.3.3长方体叶蜡石块126

10.4传压介质的尺寸126

10.5大型-超大型传压介质块127

10.5.1大压机的大合成块127

10.5.2目前≥Φ500mm缸径压机合成块系列127

10.6结论129

第11章 高压下传压介质稳定性的研究130

11.1概述130

11.1.1国外研究状况130

11.1.2国内研究状况131

11.2研究内容及方法131

11.2.1研究内容131

11.2.2研究方法132

11.3化学分析结果132

11.4岩石矿物鉴定和X射线衍射分析报告133

11.4.1测试仪器及测试条件133

11.4.2样品的制备133

11.4.3矿粉的岩石矿物鉴定及X射线衍射分析134

11.4.4结语136

11.5合成金刚石试验效果137

11.6结论137

第12章 叶蜡石块焙烧排列新形式及焙烧工艺138

12.1普通排列形式138

12.2品字形与梅花形排列139

12.3悬吊串珠式排列139

12.4窑式焙烧新工艺140

12.5多点测温是控制炉温均衡的关键技术140

第13章 片状触媒的研究和应用142

13.1引言142

13.2多种片状触媒合金的研究143

13.2.1 NiMnCo合金触媒143

13.2.2 FeNiMn合金触媒144

13.2.3 FeNiMnCo合金触媒144

13.2.4镍-铜基多元触媒145

13.3添加剂的选择及试验145

13.3.1添加元素组分145

13.3.2试验所用设备146

13.3.3触媒生产工艺流程图147

13.4方案选择148

13.4.1添加剂组分的选择148

13.4.2尽量采用低熔点的合金148

13.4.3选用能增加渗碳溶碳作用的元素149

13.5高真空熔炼与轧制工作的新工艺技术149

13.5.1关于真空冶炼150

13.5.2惰性气体的保护调整150

13.5.3关于熔炼时间150

13.5.4关于浇铸150

13.5.5多次回火和清洗151

13.5.6结语152

13.6合成工艺的综合性试验及结果152

13.7结论153

第14章 合成金刚石用触媒作用机制及粉末触媒材料154

14.1触媒的作用原理及分级评价体系154

14.1.1触媒的作用原理154

14.1.2触媒的催化能力及其分级157

14.2合成金刚石用触媒材料160

14.2.1触媒材料研究发展史160

14.2.2工业金刚石合成触媒材料发展历程161

14.2.3粉末触媒材料163

14.3国内外触媒材料发展趋势166

14.3.1活性大、成本低的铁基触媒材料166

14.3.2低熔点触媒材料166

14.3.3新型无机化合物触媒材料167

14.3.4触媒材料粉末化167

第15章 金刚石专用片状与粉状石墨研制进展169

15.1人造金刚石用石墨的分类169

15.2人造金刚石用石墨的制备170

15.2.1关于片状组装用石墨片170

15.2.2关于粉状组装合成金刚石用石墨粉171

15.3石墨性能对人造金刚石合成的影响172

15.3.1石墨纯度对合成金刚石的影响172

15.3.2石墨的电阻系数对合成金刚石的影响172

15.3.3石墨的体积密度、气孔率和机械强度对合成金刚石的影响173

15.3.4石墨化程度高低对人造金刚石合成的影响173

15.3.5石墨的显微结构对合成金刚石的影响174

15.3.6粉状石墨的石墨化程度对合成金刚石的影响175

15.3.7粉状石墨的含氧量对合成金刚石的影响175

15.4新型发热保温石墨片176

15.4.1合成腔内的轴向温差176

15.4.2有效的电阻式发热保温碳片176

15.5结论177

第四篇 超硬材料组装原则与工艺181

第16章 关于压机大型化以后叶蜡石及其组装设计应考虑的若干原则及其应用181

16.1叶蜡石及其组装设计应考虑的若干原则181

16.1.1安全性（不放炮或少放炮）原则181

16.1.2叶蜡石块体积最小的腔体容积最大的原则182

16.1.3发热量足够多与散热量最少原则182

16.1.4散热量小与接触面大原则182

16.1.5构件高精度原则182

16.1.6叶蜡石块、白云石衬管等高密度原则182

16.1.7大内压力与小系统压力原则182

16.1.8密封性与传压性相结合原则183

16.1.9腔体的径高比呈似球或扁球状原则183

16.1.10尽量采用稳定区原则183

16.1.11串联与并联联合运用原则183

16.2对当前大压机超硬材料合成组装块若干问题的应用184

16.2.1引言184

16.2.2粉末触媒合成块直接加热式组装184

16.2.3粉末触媒合成块间接加热式组装185

16.2.4几点评述187

16.3结论189

第五篇 超硬材料形核理论与生长193

第17章 人造金刚石成核条件与形核的中心理论193

17.1成核的相关条件193

17.1.1概述193

17.1.2合成工艺参数对成核数量的影响194

17.1.3升压升温过程对触媒结构及物相变化的影响196

17.1.4讨论197

17.1.5结语198

17.2形核的中心理论199

17.2.1概述199

17.2.2实验与结果199

17.2.3成核的反应中心理论202

17.2.4结语206

17.3关于粉末块成核的简单描述206

第18章 影响金刚石形核因素与亚稳态成核的探讨208

18.1引言208

18.2金刚石形核的影响因素208

18.2.1合成温度、压力条件209

18.2.2熔媒种类209

18.2.3碳源种类210

18.2.4其他因素210

18.3金刚石形核热力学条件210

18.4金刚石形核动力学条件212

18.5金刚石合成的亚稳态成核213

18.6金刚石成核的逆转化214

18.7结论215

第19章 金刚石单晶生长理论与技术216

19.1影响金刚石单晶生长的主要因素216

19.1.1压力因素216

19.1.2温度因素217

19.1.3时间因素218

19.2金刚石单晶的慢速生长与匹配的快速生长220

19.3金刚石单晶生长速率的讨论221

19.4金刚石单晶生长的热力学及动力学222

19.4.1金刚石单晶生长的热力学222

19.4.2金刚石单晶生长的动力学226

19.5结论227

第六篇 相对低温低压理论及其应用231

第20章 相对低温低压理论与优越性231

20.1相对低温低压理论的提出和建立231

20.1.1在金刚石相图上分析相对低温低压231

20.1.2相对低温低压合成金刚石的热力学和动力学分析233

20.2相对低温低压合成金刚石的优越性240

20.2.1相对低温低压在设备上的优越性240

20.2.2相对低温低压对提高顶锤寿命有益处241

20.2.3相对低温低压对合成工艺有利242

20.2.4相对低温低压对节能有利242

20.2.5由于温度下降给节能带来的好处243

20.2.6相对低温低压可采取的相应措施244

20.2.7结语244

第21章 在相对低温低压区间合成SMD级高品质金刚石工艺的研究245

21.1概述245

21.2合成试验条件246

21.2.1高温高压设备系统246

21.2.2合成原材料246

21.3相对低温低压工艺的指导思想246

21.4相对低温低压工艺的实施247

21.4.1顶锤的选择247

21.4.2叶蜡石与堵头的选择247

21.4.3组装工艺选择248

21.4.4合成工艺的选择249

21.5合成效果与结论250

21.5.1合成效果250

21.5.2结语252

第七篇 相对平衡理论及其应用255

第22章 相对平衡理论的基础与实质255

22.1历史回顾255

22.1.1 20世纪60年代至80年代初255

22.1.2 20世纪80年代至90年代初256

22.1.3 20世纪90年代中后期——对中平衡新的认识时期256

22.2大“三角形”与小“三角形”及“三线一点”256

22.2.1一种新观念的提出256

22.2.2新观念的空间图形257

22.2.3在数学式上看大小三角形257

22.2.4关于“三线一点”258

22.2.5三个“中心”的空间关系258

22.2.6三个中心的相对位置对设备和模具受力状态的影响259

22.3相对平衡理论的实质260

22.3.1相对平衡理论的初始260

22.3.2相对平衡理论的实质问题261

22.4相对平衡理论的发展262

22.4.1长方柱叶蜡石块的应用262

22.4.2大小顶锤在一个高压体系中的应用262

22.4.3不同角度顶锤的组合使用262

22.4.4不同形状顶锤的组合使用263

22.5结论263

第23章 相对平衡理论实际应用研究264

23.1两面和整棒均匀生长是优质高产低耗的关键264

23.2长方块在合成金刚石工艺中的研究265

23.2.1打破固有“正方形”265

23.2.2长方块的实验效果266

23.3异形顶锤在合成金刚石工艺中的研究268

23.3.1试验基本情况268

23.3.2长方锤与长方块组合的试验效果269

23.4结论270

第24章 应用相对均衡压力将长方块在Φ400～500mm缸径压机上合成的试验研究271

24.1相对均衡压力合成概述271

24.2 Φ400mm缸径压机上的试验研究272

24.2.1传压介质与顶锤的设计272

24.2.2工艺试验方案272

24.2.3与正方块对比273

24.3 Φ500mm缸径压机上的试验研究274

24.3.1传压介质与顶锤的设计274

24.3.2工艺方案试验274

24.3.3与普通正方块合成效果比较274

24.4问题讨论275

24.5结论275

第八篇 压机大型化及合成新工艺279

第25章 超硬材料压机大型化发展走势和出路279

25.1压机继续大型化是逐势279

25.1.1国外超硬材料压机大型化的发展状态279

25.1.2我国超硬材料压机将会继续大型化280

25.2我国当前金刚石压机发展新逐势281

25.2.1当前≥Φ560mm缸径压机是主产压机281

25.2.2超薄型工作缸的压机在研制281

25.2.3 125MPa大型压机正在试制281

25.2.4无工作缸的压机被部分企业认可281

25.3压机大型化的瓶颈282

25.3.1压机大型化必须顶锤大型化282

25.3.2顶锤大型化历来是金刚石行业发展的瓶颈282

25.4中国顶锤大型化的出路在哪里283

25.4.1中国压机大型化不能只走简单的增大顶锤重量之路283

25.4.2组合顶锤走过的艰辛之路283

25.4.3组合顶锤实用照片283

25.4.4组合顶锤出现的现实意义284

25.4.5展望284

第26章 Φ500mm缸径压机粉末一体化大腔体合成工艺的研究285

26.1引言285

26.1.1概述285

26.1.2项目来源285

26.1.3预计实现目标286

26.1.4本设计总体原则286

26.2 Φ40mm腔体超高压系统的建立286

26.2.1设备的选择286

26.2.2传压介质块外部尺寸的设计287

26.2.3顶锤的选用和设计287

26.2.4组装方式设计288

26.2.5工艺参数的估算289

26.2.6加热系统及其他部件的设计289

26.3 Φ40mm腔体几项主要性能的对比试验290

26.3.1片状触媒与粉末触媒的对比290

26.3.2组装上片状触媒与粉末触媒的对比290

26.3.3直接加热与间接加热的对比290

26.3.4粉末触媒暂停时间的延长对比291

26.4 Φ40mm腔体的合成效果291

26.4.1金刚石的TI与TTI291

26.4.2金刚石的单产与颜色、透明度292

26.4.3顶锤消耗的统计292

26.4.4金刚石的实物照片293

26.5结论293

第27章 Φ560mm缸径与更大缸径大型压机扩大合成腔体的优化合成295

27.1总体设计指导思想295

27.1.1小压机有挖潜能力的应该继续挖295

27.1.2目前的主力压机重点挖潜295

27.2 Φ560mm缸径压机的优化设计296

27.2.1 Φ560mm缸径压机的优选296

27.2.2优化顶锤设计297

27.2.3优化合成块设计298

27.2.4优化腔体设计299

27.3 Φ560mm缸径压机合成Φ46mm腔体的工艺设计299

27.3.1金刚石合成工艺暂停压力的选用299

27.3.2金刚石合成工艺暂停时间的选用300

27.3.3金刚石合成工艺合成压力的选用300

27.3.4金刚石合成工艺合成时间的选用301

27.3.5合成工艺中温度（W）的对比301

27.3.6合成工艺曲线图及工艺调整的几点说明302

27.4 Φ560mm缸径压机的合成效果及分析302

27.4.1合成粒度分布及粗粒粒度占有率302

27.4.2高品质金刚石占有率及实际金刚石303

27.4.3顶锤消耗304

27.5 ≥Φ600mm缸径压机的试验304

27.5.1更大压机的基本状况304

27.5.2新开发大型压机基本参数及产量、质量306

27.6结论与问题307

第九篇 粗颗粒高品质金刚石311

第28章 关于钻探用≥0.5mm单晶金刚石合成工艺的研究311

28.1引言311

28.2主要核心技术312

28.2.1压机大型化312

28.2.2组装新技术312

28.2.3扩大腔体313

28.2.4粉末触媒新技术313

28.2.5合成配套新工艺314

28.2.6合成工艺中温度（W）的对比316

28.3研究后获得的主要指标316

28.3.1单次产量317

28.3.2金刚石平均抗压强度317

28.3.3 TI、TTI值及其他317

28.3.4合成棒样品318

28.3.5金刚石质量对比318

28.3.6顶锤消耗319

28.4结论319

第29章 获得高品质金刚石值得重视的若干问题321

29.1慢速生长是获得优质高产高品级金刚石的关键321

29.1.1人造金刚石晶体生长过程分析321

29.1.2在金刚石相图上分析相对低温低压322

29.1.3优质金刚石晶体生长的控制步骤及其影响因素323

29.1.4慢速生长对合成金刚石系统的影响324

29.1.5结语324

29.2布拉维法则在优质高品级金刚石生长中的应用325

29.2.1布拉维法则325

29.2.2布拉维法则在高品级金刚石生长中的应用325

29.2.3布拉维法则培养所需金刚石晶体327

29.3人造金刚石生产中若干重要工艺控制要素及应用的一些规律327

29.3.1若干要素与晶体生长作用的关系327

29.3.2若干要素在金刚石合成中的作用328

29.3.3大压机大腔体若干要素的一些新概念330

29.4关于剪式合成法的一些问题331

29.4.1剪式合成法的基本形式331

29.4.2运用剪式合成法的试验331

第十篇 粉末触媒与高品质金刚石335

第30章粉末触媒合成金刚石的新认识与研究进展335

30.1对粉末触媒合成金刚石的新认识335

30.1.1历史回顾335

30.1.2粉末触媒合成金刚石工艺中值得注意的若干问题336

30.1.3粉末触媒合成金刚石的特点与问题337

30.2粉末触媒合成金刚石组装与供碳进展338

30.2.1粉末触媒生产金刚石形势338

30.2.2关于组装结构的设计及供碳方式339

30.3对合成高品级金刚石原材料的新认识340

30.3.1关于石墨341

30.3.2关于触媒（Fe基）341

30.3.3关于衬管材质341

30.4关于粉末触媒合成金刚石的工艺341

30.4.1关于升温压力341

30.4.2关于暂停时间342

30.4.3关于合成时间342

30.4.4关于双台阶合成压力342

30.5目前合成腔体开发系列342

30.6关于一些合成效果343

30.6.1合成效果343

30.6.2合成块经济技术指标344

30.6.3产品特点344

30.7建议345

第31章 大腔体粉末触媒合成金刚石工艺特点和判断方法及效果346

31.1粉末触媒合成金刚石工艺流程346

31.2粉末触媒合成金刚石346

31.2.1粉末触媒合成金刚石的特征346

31.2.2粉末触媒合成特征对比347

31.2.3粉末触媒合成金刚石质量好的根本原因348

31.2.4颗粒均匀、粒度集中又一主要原因348

31.3粉末触媒合成工艺特点348

31.4粉末触媒合成金刚石判断之一——合成棒的整体观察现象349

31.5粉末触媒合成金刚石判断之二——粉末触媒合成棒中金刚石在石墨中的裸露现象351

31.5.1以（111）发育略大于（100）为特征352

31.5.2以（100）与（111）相等发育为特征352

31.6粉末触媒合成金刚石判断之三——粉末触媒合成棒观察要领353

第32章 大型压机应用粉末触媒合成优质高产金刚石新工艺355

32.1引言355

32.2国内外研究现状和发展趋势356

32.2.1国外研究状况356

32.2.2国内研究状况356

32.3研制指标356

32.4研制情况357

32.4.1试验基本条件357

32.4.2原材料357

32.4.3组装形式357

32.4.4叶蜡石焙烧形式358

32.4.5主要合成工艺参数358

32.5典型试验与验证358

32.5.1月台机产试验358

32.5.2一个机台组三个月金刚石生产验证359

32.6生产试验指标与任务下达指标的对比359

32.6.1单产359

32.6.2 SMD单产360

32.6.3顶锤消耗360

32.6.4质量指标360

32.7粉末触媒合成金刚石相关问题讨论分析360

32.7.1粉末触媒合成金刚石是一系统工程360

32.7.2粉末触媒合成金刚石全工艺流程361

32.7.3粉末触媒合成金刚石特征对比361

32.7.4粉末触媒合成金刚石“燕尾式”工艺的有关讨论362

第十一篇 金刚石特殊晶体形态合成367

第33章 从几何晶体到“方晶”与八面体金刚石合成367

33.1引言367

33.1.1单形的基本概念367

33.1.2几何结晶学中的47种单形368

33.1.3金刚石晶体形态的基本概念368

33.2“方晶”的简介371

33.3“方晶”在相图上的位置及划级372

33.3.1“方晶”在相图上的位置372

33.3.2“方晶”的划级373

33.4“方晶”调整的关键指导技术方案373

33.4.1压力较高时如何找“脊线”373

33.4.2压力比较合适时如何找“脊线”374

33.4.3压力较低时如何找“脊线”374

33.5在合成棒中如何判断“方晶”374

33.5.1合成棒观察的位置375

33.5.2金刚石合成片温度的观察375

33.6有关试验结果与结语375

33.6.1有关试验结果375

33.6.2结语376

33.7八面体金刚石的特征及合成376

33.7.1腔体结构376

33.7.2八面体金刚石合成材料377

33.7.3八面体金刚石的合成工艺377

33.7.4八面体金刚石的合成结果377

33.7.5结语378

第34章 细-微细颗粒优质金刚石合成新工艺的研究379

34.1概述379

34.1.1细-微细粒金刚石的用途379

34.1.2细-微细粒金刚石的范围379

34.2细-微细金刚石形核的控制特点380

34.3关于组装结构的设计及供碳方式381

34.3.1组装结构的设计381

34.3.2粉末触媒的供碳形式382

34.3.3 Φ38mm腔体细料结构设计382

34.4合成工艺的特点382

34.4.1工艺要求382

34.4.2温度、压力设置383

34.5合成细-微细金刚石六面顶压机的优势383

34.6结论383

第35章 粗大颗粒金刚石与单晶大颗粒金刚石的研究与开发384

35.1概述384

35.2优质粗大颗粒单晶与单晶大颗粒金刚石的合成385

35.2.1优质金刚石生长区间385

35.2.2合成金刚石的原材料387

35.2.3单晶大颗粒金刚石合成的温度梯度法387

35.2.4粗大颗粒单晶金刚石合成的控制388

35.3粗大颗粒金刚石的开发389

35.3.1粉末触媒合成粗颗粒金刚石389

35.3.2单晶大颗粒金刚石的慢速生长与适度加快389

35.3.3粗大颗粒金刚石与单晶大颗粒金刚石的应用390

第十二篇 金刚石包裹体与连聚晶395

第36章 晶体包裹体与人造金刚石中气态和固态包裹体395

36.1自然界中晶体包裹体研究概述395

36.1.1自然界中研究包裹体的意义395

36.1.2包裹体的定义395

36.1.3自然界中包裹体的分类396

36.1.4研究矿物（晶体）包裹体与系统中参数的关系396

36.2超硬材料中包裹体的研究397

36.2.1金刚石中包裹体类型的认识397

36.2.2金刚石中包裹体含有量的影响397

36.2.3对金刚石生长速率的研究深化398

36.2.4金刚石中包裹体的危害认识398

36.3超硬材料中包裹体的主要类型398

36.3.1金刚石中包裹体成分上的分类398

36.3.2金刚石成分上具体几种类型399

36.4金刚石中包裹体形态上的分类399

36.4.1金刚石包裹体的基本形态400

36.4.2气态包裹体的基本形态400

36.4.3石墨包裹体的基本形态401

36.4.4金属包裹体的基本形态401

36.5超硬材料中包裹体的危害401

36.5.1对金刚石性能的影响402

36.5.2金刚石气态包裹体的危害403

36.5.3金刚石固态包裹体的危害404

36.6超硬材料中包裹体的成因分析与消除404

36.6.1不同包裹体成因分析404

36.6.2消除不同包裹体的基本方法405

36.7结论405

第37章 金刚石连聚晶成因的理论分析407

37.1研究连聚晶问题的目的及分类407

37.1.1研究连聚晶的目的407

37.1.2连聚晶的分类及特征408

37.2金刚石连聚晶合成工艺机理分析408

37.2.1连聚晶形成的原因408

37.2.2连聚晶的消除409

37.3金刚石合成片中连聚晶样品制备和结构409

37.4包覆在金刚石生长表面层金属膜的结构及组成研究410

37.5人造金刚石连聚晶成因机制探讨410

37.6结论411

第十三篇 绿色环保提纯与产品质量检测415

第38章 人造金刚石绿色环保型提纯新技术与装置415

38.1引言415

38.2人造金刚石提纯技术原理416

38.3人造金刚石提纯技术研究现状416

38.4 FR系列提纯新技术417

38.4.1 FR系列提纯新技术的概况417

38.4.2 FR系列提纯工艺流程418

38.4.3 FR系列大型电解装置418

38.4.4 FR系列几种电解液效果对比419

38.4.5清除石墨反应器与净化器420

38.4.6废水处理420

38.5不同电解方法的对比421

38.6结论422

第39章 金刚石质量采用电脑检测系统的研究与应用423

39.1引言423

39.2测量方法424

39.3测量流程426

39.4参数的设定与检测426

39.4.1粒径（Size值）的检测426

39.4.2晶形参数的检测426

39.4.3工业金刚石的光学特性429

39.5结论432

超硬材料制品新技术新应用435

第十四篇 超硬材料制品新技术435

第40章 金刚石工具用预合金粉末制备研究进展435

40.1预合金粉末制造方法及其特点435

40.2国外预合金粉末研究现状436

40.2.1 Eurotungstone公司NEXT、Keen预合金粉436

40.2.2 Dr.Fritsch公司预合金粉末437

40.2.3 Umicore公司Cobalite系列预合金粉末438

40.3国内预合金粉末研究现状439

40.3.1有研粉末新材料有限公司YHJ系列预合金胎体粉末439

40.3.2安泰科技股份有限公司Follow系列预合金胎体粉末439

40.3.3国产预合金粉末综合性能440

40.4预合金粉的性能评价441

40.5发展与展望443

第41章 当前金刚石工具制造中几种重要方法444

41.1激光焊接金刚石圆锯片的研究进展444

41.1.1引言444

41.1.2激光焊接金刚石圆锯片的特点444

41.1.3激光焊接金刚石圆锯片的影响因素445

41.1.4激光焊接与高频焊接金刚石圆锯片的效果447

41.1.5结语448

41.2钎焊金刚石工具制备的研究现状和进展448

41.2.1引言448

41.2.2金刚石钎焊料研究现状450

41.2.3金刚石钎焊专用设备450

41.2.4金刚石钎焊工艺研究现状451

41.2.5结语与展望452

41.3金刚石有序排列及择优取向工具的制备方法453

41.3.1引言453

41.3.2金刚石有序排列及择优取向工具的优越性453

41.3.3金刚石在工具中均匀分布的实施方法454

41.3.4金刚石有序排列及择优取向工具的应用457

41.3.5结语458

41.4结论459

第42章 电镀镍-铁和铁基金刚石钻头的研究461

42.1金刚石钻头镀前准备461

42.1.1钻头钢体加工与准备461

42.1.2有机溶剂除油462

42.1.3绝缘处理462

42.1.4电化学除油462

42.1.5弱腐蚀463

42.1.6电镀过程463

42.1.7电镀金刚石钻头的后处理464

42.2电镀镍-铁合金胎体钻头464

42.2.1镍-铁合金的特点464

42.2.2镍-铁合金镀液基本配方与工艺465

42.2.3镀液成分对镀层质量的影响465

42.2.4电镀镍-铁合金试验研究方法471

42.2.5电镀镍-铁胎体钻头试验473

42.3不对称交-直流常温电镀铁基钻头473

42.3.1特点与优越性473

42.3.2铁的电解液的类型474

42.3.3低温氯化物镀液工艺配方475

第43章 应用表面理论和技术进行金刚石表面镀覆及应用480

43.1金刚石化学镀和电镀Ni、Cu481

43.2金刚石镀覆刺状刚玉481

43.3金刚石真空镀覆亲和性金属482

43.3.1真空物理气相沉积482

43.3.2真空化学气相沉积483

43.3.3真空微蒸发镀483

43.4金刚石准原子层沉积485

43.5结论487

第十五篇 超硬材料制品新应用493

第44章 热压金刚石钻头在硬岩大口径取心钻进中的应用493

44.1科学钻探与中国大陆科学钻探493

44.1.1科学钻探的目的任务493

44.1.2国际科学钻探的若干资料494

44.1.3中国大陆科学钻探494

44.1.4中国人造金刚石立大功495

44.2大口径金刚石钻头的研制495

44.2.1基本思路495

44.2.2钻头的设计依据496

44.3钻头试验设计498

44.3.1配方均匀设计498

44.3.2钻头胎体配方及均匀设计步骤498

44.3.3试验方法499

44.3.4试验结果与分析500

44.4热压钻头在科钻一井的应用502

44.4.1科钻一井的岩性502

44.4.2科钻一井的钻进条件503

44.4.3钻头结构设计503

44.4.4钻头的胎体性能设计504

44.4.5金刚石参数505

44.4.6超细预合金粉的应用505

44.5金刚石钻头制造506

44.5.1配料与组装506

44.5.2烧结506

44.6钻头的使用效果507

第四章 关于cBN砂轮性能、应用与特点的探讨508

45.1 cBN结构与性能508

45.2 cBN磨具的特点与分类510

45.2.1 cBN磨具主要特点510

45.2.2 cBN砂轮的分类510

45.3 cBN磨具的主要性能特征511

45.4树脂结合剂cBN磨具513

45.4.1树脂结合剂及其性能要求513

45.4.2树脂结合剂cBN砂轮的制造工艺514

45.4.3树脂结合剂cBN砂轮的特点及应用514

45.5陶瓷结合剂cBN砂轮515

45.5.1陶瓷结合剂主要性能515

45.5.2陶瓷结合剂cBN砂轮的特点及应用517

45.5.3 cBN陶瓷磨具的发展趋势517

45.6金属结合剂cBN砂轮518

45.6.1单层电镀和金属单层cBN砂轮的特点518

45.6.2两种砂轮的磨削性能519

第46章 积极研发半导体工业硅材料加工用金刚石工具525

46.1引言525

46.1.1半导体工业525

46.1.2半导体工业的芯片加工工艺流程526

46.2半导体加工所需的金刚石工具——修整器527

46.2.1化学机械抛光垫修整器527

46.2.2镍电镀型修整器528

46.2.3高温真空钎焊修整器530

46.2.4陶瓷基体陶瓷结合剂修整器532

46.2.5 PCD（聚晶金刚石）修整器533

46.3其他的金刚石工具534

46.3.1单晶锭的裁切与晶圆切片——线切割（Slicing）534

46.3.2晶圆倒角与圆边536

46.3.3晶圆背面减薄超精密磨削536

46.3.4晶圆（芯片）划片（dicing）537

46.4结论537

第47章 金刚石串珠绳锯的研究与开发539

47.1概述539

47.2金刚石串珠绳锯的构成与制造540

47.2.1金刚石串珠绳锯的构成540

47.2.2金刚石串珠绳锯的制造技术541

47.3金刚石串珠绳锯的应用与开发543

47.3.1金刚石串珠绳锯的应用领域543

47.3.2金刚石串珠绳锯的研究现状及存在的问题544

47.3.3我国金刚石串珠绳锯的发展状况544

47.3.4金刚石串珠绳锯的发展趋势545

47.3.5展望545

第48章 超硬材料砂轮的现状与进展547

48.1概述547

48.2超硬材料砂轮的分类548

48.2.1按使用超硬材料品种分类548

48.2.2按使用超硬材料粒度、品级分类549

48.2.3按超硬材料砂轮使用的黏结剂分类549

48.2.4按超硬材料砂轮制作方法分类549

48.2.5按磨具的结构与用途分类549

48.3超硬材料砂轮的工作原理549

48.3.1磨粒切入过程549

48.3.2磨粒上的作用力550

48.4超硬材料砂轮的应用552

48.4.1硬质-超硬质材料加工552

48.4.2汽车工业553

48.4.3电子-微电子工业554

48.4.4航天航空工业554

48.5超硬材料砂轮研究动向555

48.5.1超硬材料砂轮的研究新动向555

48.5.2新型结合剂的研究新动向555

48.5.3 cBN砂轮的新技术与进展556

第49章 CVD金刚石及刀具研究和开发558

49.1概述558

49.2 CVD金刚石涂层刀具559

49.2.1 CVD金刚石涂层刀具的关键技术问题559

49.2.2 CVD金刚石涂层刀具硬质合金基体预处理技术560

49.2.3金刚石膜结构的改进564

49.2.4 CVD金刚石涂层刀具的应用开发565

49.2.5结语与展望568

49.3 CVD金刚石厚膜焊接刀具568

49.3.1 CVD金刚石厚膜焊接刀具制造技术568

49.3.2 CVD金刚石厚膜刀具应用开发575

49.3.3结语与展望577

第50章 PCD刀具材料及应用580

50.1引言580

50.2 PCD刀具材料的性能580

50.2.1极高的硬度和耐磨性581

50.2.2低的摩擦系数和高的弹性模量581

50.2.3好的导热性和低的热膨胀系数581

50.2.4刃口锋利且刃面粗糙度小581

50.3 PCD刀具材料的研究现状582

50.3.1金刚石复合片发展概述582

50.3.2金刚石复合片的发展方向583

50.4 PCD刀具制造工艺584

50.4.1 PCD复合片的切割584

50.4.2 PCD刀片的焊接585

50.4.3 PCD刀片的刃磨585

50.5 PCD刀具的设计及使用技术587

50.5.1 PCD刀具的结构形式587

50.5.2刀具几何参数设计588

50.5.3切削用量的选择588

50.6 PCD刀具的应用589

50.6.1加工非铁金属材料590

50.6.2加工非金属材料593

50.7发展与展望595

第51章 PcBN刀具材料及应用597

51.1 PcBN刀具材料的特点与应用范围597

51.1.1 PcBN刀具材料的特点597

51.1.2 PcBN刀具材料的应用范围599

51.2 PcBN刀具材料的分类、型号与性能600

51.2.1有结合剂的PcBN601

51.2.2纯PcBN602

51.2.3表面镀覆PcBN603

51.3 PcBN刀具材料微结构表征604

51.4 PcBN刀具材料烧结过程及机理608

51.4.1 Al及Al的化合物作为黏结剂608

51.4.2 Ti及其化合物作黏结剂609

51.4.3 Al、Ti及其化合物作黏结剂609

51.4.4其他黏结剂610

51.5 PcBN刀具的设计与制造工艺611

51.5.1 PcBN刀具设计611

51.5.2 PcBN刀具制造工艺613

51.6 PcBN刀具应用614

51.6.1切削用量的优选原则614

51.6.2 PcBN刀具应用举例616

51.7结论621

超硬材料研究未来627

第十六篇 开发的其他新超硬材料627

第52章 发展为钻采业应用的复合片（PDC）、聚晶（PCD）627

52.1国内外金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）的研制情况627

52.2金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）在钻采业中的应用629

52.3提高金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）质量的主要方法631

52.3.1采用合理制作设备631

52.3.2设计合理的合成腔体组装结构631

52.3.3采用最佳的黏结剂和组分配比631

52.3.4消除残余应力，提高金刚石与WC/Co衬底结合强度632

52.3.5采取多种措施，改进PDC性能634

52.4结论635

第53章 CVD金刚石生长与技术637

53.1概述637

53.2 CVD金刚石生长科学637

53.2.1反应气体638

53.2.2激活过程638

53.2.3气相反应与生长先驱体639

53.2.4气相运输和表面间相互作用640

53.2.5 CVD金刚石在非金刚石基体上的形核640

53.2.6生长机理与生长速率641

53.3 CVD金刚石沉积技术641

53.3.1热丝辅助化学气相沉积（HFCVD）642

53.3.2微波等离子辅助化学气相沉积（MPACVD）642

53.3.3燃烧火焰辅助化学气相沉积（CFCVD）643

53.3.4电弧喷射等离子辅助化学气相沉积（AJCVD）643

53.3.5表面波持续放电辅助化学气相沉积（SWCVD）643

53.4研制CVD金刚石厚膜的效果644

第54章 发展中的纳米金刚石新技术647

54.1纳米材料与纳米金刚石647

54.2纳米金刚石的制造合成技术648

54.2.1纳米金刚石制造方法分类648

54.2.2爆压爆温的作用649

54.2.3爆炸容器容积649

54.2.4炸药粒度与得率的关系649

54.2.5马赫效应药649

54.2.6装药与介质650

54.3物性的分析与研究650

54.3.1元素成分分析650

54.3.2 X射线衍射分析650

54.3.3透射电镜分析651

54.3.4激光Raman分析651

54.3.5红外光谱652

54.3.6纳米金刚石的结构模型653

54.4爆轰合成纳米金刚石的机理探讨653

54.5纳米金刚石的应用654

54.5.1滑润技术654

54.5.2增强技术655

54.5.3研磨与抛光655

54.5.4电镀技术656

54.5.5烧结与合成技术657

54.5.6解团聚与分散技术658

第55章 cBN研究新进展660

55.1历史的简要回顾660

55.2 cBN单晶发展现状661

55.3化学反应制备cBN晶体663

55.4 cBN单晶膜的外延生长665

55.5 cBN晶体功能特性研究666

第十七篇 超硬材料研制未来675

第56章 金刚石电化学性能675

56.1含硼金刚石薄膜电极675

56.1.1含硼金刚石薄膜电极的制备676

56.1.2含硼金刚石薄膜电极的电化学性能676

56.1.3含硼金刚石薄膜电极的应用678

56.2其他类型金刚石电极679

56.2.1含硼金刚石粉末电极680

56.2.2高压合成的含硼金刚石聚晶电极681

56.2.3纳米金刚石电极682

56.3结论683

第57章 新金刚石的制备方法、晶体结构及应用研究现状685

57.1新金刚石的制备方法685

57.1.1射频等离子体CVD法685

57.1.2石墨冲压快冷法685

57.1.3冲压C60法686

57.1.4高温高压法686

57.1.5爆炸法686

57.1.6碳等离子体沉积法686

57.1.7氢等离子体退火金刚石表面法686

57.1.8碳离子注入硅片退火法687

57.1.9炭黑催化法687

57.1.10催化碳纳米管法692

57.2新金刚石晶体结构模型692

57.2.1 Hirai模型692

57.2.2面心立方结构693

57.2.3 Glitter结构693

57.2.4“缺陷金刚石”晶体结构模型694

57.2.5新金刚石的“乱层金刚石”晶体结构模型696

57.3新金刚石的性质及应用展望699

57.3.1新金刚石稳定性实验699

57.3.2新金刚石的电子结构701

57.3.3炭黑催化产物电磁吸波性能实验研究702

57.3.4炭黑催化产物/石蜡复合材料电磁吸波性能的计算机模拟704

第58章 化学反应新方法获得金刚石的进展707

58.1金刚石的性能707

58.2几种人工合成金刚石的发展708

58.2.1高温高压法（HPHT）合成金刚石709

58.2.2低压法合成金刚石709

58.2.3水热、溶剂热等其他合成技术711

58.3化学反应新方法合成金刚石711

58.4化学反应新方法合成金刚石机制探讨713

58.5对天然金刚石起源的新探714

58.6化学反应法获得金刚石的价值与意义714

第59章 单晶大颗粒金刚石的研究与应用716

59.1大颗粒金刚石的基本特征716

59.2国内外大颗粒金刚石的研发与现状717

59.2.1国外大颗粒金刚石的研发与现状717

59.2.2国内大颗粒金刚石的研发与现状718

59.2.3 CVD法金刚石单晶的研制719

59.3生长大颗粒金刚石的关键技术719

59.3.1高温高压温差法的关键技术719

59.3.2直接合成法进行的探索720

59.4单晶大颗粒金刚石的应用721

59.4.1在珠宝首饰方面的应用721

59.4.2在工程领域的应用721

59.4.3在功能性质方面的应用722

59.5结论723

第60章 类超硬材料与亚超硬材料新探索724

60.1类超硬-亚超硬材料的回顾与现状724

60.1.1新型亚超硬-超硬材料725

60.1.2其他新型超硬材料726

60.2分析与讨论及晕圈图的建立727

60.2.1亚-亚超硬材料的分类与讨论727

60.2.2超-亚超硬材料晕圈图的建立727

60.3类超硬材料与亚超硬材料设计728

60.3.1从装备上、方法上进行设计728

60.3.2从复合材料上进行设计729

60.3.3理论上的突破，设计新的亚超硬材料730

60.3.4充分运用计算机技术模拟设计新的亚超硬材料730

60.4结论与展望730

方啸虎的主要学术工作与观点和理论732

主要编著者简介746

后记748