中国超硬材料新技术与进展

    近十年是我国硬材料技术特别是金刚石技术快速发展的鼎盛时期。四十年前本学科正在起步，对设备、原材料、工艺技术等都属探索期。而时至今日，本学科理论与技术发展之快，领域之广，研究之深都是惊人的。本书是结合当前大压机快速发展，同时又兼顾小压机挖潜而编著的，所以实用性较强，同时又提升到理论上来认识，是理论与实践相结合的良好范本，充分体现了超硬材料学科是最好的实验科学的结论。
　　本书以编著者的实践为依托，将近十年，特别是近五年来，本行业的工作进行了理论与实践的总结，将一些新理论、新观点、新技术、新工艺汇于一体，内容具有新颖性、系统性、科学性的特点。这些理论与技术，相信将会对本学科的发展有所裨益。
　　本书可供相关行业的工程技术人员及相关专业的科研人员和高等院校师生参考。

    方啸虎，教授级高级工程师、兼职教授、博导。男，汉族，1939年生，安徽歙县人，现任安徽宏晶新材料股份有限公司总工程师。著有《合成金钢石的研究与应用》，主编《超硬材料基础与标准》、《超硬材料科学与技术》等六部专著。

本书以编著者的实践为依托，将近十年，特别是近五年来，本行业的工作进行了理论与实践的总结，将一些新理论、新观点、新技术、新工艺汇于一体，内容具有新颖性、系统性、科学性的特点。这些理论与技术，相信将会对本学科的发展有所裨益。

序一 刘广志
序二 李廷栋
前言 方啸虎
第一部分 装备与原材料进展
　第一篇 超硬材料专用设备
　　第一章 新型大压机制造中若干问题的探讨
　　　第一节 引言
　　　第二节 当前大压机发展现状及改进意见
　　　　1．关于能力问题
　　　　2．设计的基本构思
　　　　3．关于设备加工精度问题
　　　　4．关于压机吨位问题
　　　　5．关于增压器问题
　　　　6．关于油路系统问题
　　　　7．关于电控系统问题
　　　　8．关于加热系统问题
　　　第三节 对主机设计的几点看法
　　　　1．关于浮动原理
　　　　2．关于主机的兜底缸、球底缸和铰链梁
　　　　3．关于密封件　
　　　第四节 结论
　　第二章 大型压机高精度全自动微机电控系统的研制
　　　第一节 导言
　　　第二节 对系统压力要求采用变频动态补压方式
　　　第三节 对合成腔体内的温度控制要求非恒功率曲线控制
　　　第四节 控制系统设计原理
　　　　1．小泵变频动态补压压力曲线控制原理　
　　　　2．加热非恒功率曲线控制原理
　　　　3．有关A／D转换模块控制精度问题
　　　　4．程序设计
　　　第五节 控制系统特点
　　　第六节 使用效果
　　　第七节 结论
　第二篇 组装设计和焙烧工艺
　　第三章 压机大型化以后叶蜡石及其组装设计应考虑的若干问题
　　　1．安全性(不放炮或少放炮)原则
　　　2．叶蜡石块体积最小与腔体容积最大原则
　　　3．发热量足够多与散热量最少原则
　　　4．散热量小与接触面大原则
　　　5．构件高精度原则
　　　6．叶蜡石块、白云石衬管等高密度原则
　　　7．大内压力与小系统压力原则
　　　8．密封性与传压性相结合原则
　　　9．腔体的径高比呈似球或扁球状原则
　　　10．尽量采用稳定区原则
　　　11．串连与并连联合运用原则
　　　12．隔离杂质，不分解异物原则
　　第四章 压机大型化后叶蜡石块焙烧排列新形式
　　　第一节 普通排列形式
　　　第二节 品字形与梅花形排列
　　　第三节 悬吊串珠式排列
　　　第四节 窑式焙烧新工艺
　　　第五节 多点测温是控制炉温均衡的关键技术
　第三篇　传压介质
　第四篇　金刚石原材料
　第五篇　硬质合金顶錘
第二部分　合成理论与新工艺
第三部分　综述与回顾
附录
著者简介
后记

书摘
3．金刚石形成的反应中心论
实验结果和上述分析表明，金刚石形成的基本条件是在金刚石热力学稳定条件合成体系内同时存在有固相触媒和石墨碳网形式的碳源。根据这样的成核条件和固相触媒与石墨界面的相互作用方式，可以认为在触媒熔融之前就可能形成二维金刚石晶胚。当处在触媒与石墨界面的第一层石墨碳网面在触媒的表面弹性应力和碳原子与金属原子之间的化学交互作用下形成反应中心转化为金刚石结构后，该界面层同样可以使第二层石墨网平面发生弹性畸变，进而在界面层原子之间的化学交互作用下实现第一层与第二层碳原子的金刚石结构连接，当合成压力足以克服因结构转变产生的体积变化造成的反应区的压降时，上述反应将继续向石墨内部传播，直至反应区的压力降到石墨一金刚石转化的平衡压力。根据范德华定律，上述反应在靠近触媒熔点的温度下会显著发生。当这个反应进行到一定程度，所形成的金刚石晶胚达到晶核稳定存在的临界尺寸时，合成温度继续上升，触媒熔化后，该晶核即可长大。高压低温渗碳和较高送温压力的合成实验结果图17．3和图17.9(c)证明了上述推断的正确性。在这两组实验中，送温过
程均滞后于升压过程，金刚石晶核均形成于触媒与石墨界面并延伸到石墨和触媒层内。
我们将上述反应机制称为金刚石形成的反应中心论。按照这种机制，金刚石绝大多数形成于触媒与石墨界面，并且石墨必须形成正椅形结构。但在我们的送温压力较低的合成试样中，发现金刚石不仅形成于触媒与石墨界面，而且形成于触媒基体内部，如图17，9(a)和(b)所示。那么触媒基体内的金刚石又是怎样形成的呢?送温过程进行得较早，当合成压力进入金刚石稳定区域时，体系温度已经较高，触媒基体内部则会溶入大量石墨网面。触媒熔化处于固态与液态两相共存时，碳网面扩散到固相触媒颗粒表面同样可以形成反应中心，碳网面浓度高时，反应中心不断传递而形成金刚石晶核，在触媒颗粒完全熔化之前由这样的反应中心形成的晶核达到了稳定存在，临界尺寸的晶粒即可继续长大。
研究说明反应中心论，还基于当把合成压力、暂停压力、送温压力三者比例控制好时，金刚石成粒状均匀分布，何以能如此均匀呢?其原因亦在于一定压力下，当温度逐步上升时不断增加碳网浓度。这时由于自发或非自发形核开始(以非自发成核占优势)，这样以新核为反应中心的现象得到充分反映，在该新核的周围的成核条件由于新核形核时所需能量的降低，紧挨着该新核条件予以破坏，
……