金刚藤颗粒

金刚藤颗粒（精选7篇）

金刚藤颗粒 篇1

摘要：目的:采用高效液相色谱法测定金刚滕颗粒的薯蓣皂苷元含量, 以期为金刚藤颗粒质量控制提供参考依据。方法:色谱柱为Kromasil C18 (4.6mm×250mm, 5μm) , 以甲醇∶水 (93∶8) 为流动相, 检测波长为203nm。结果:薯蓣皂苷元进样量在0.8040.804μg范围内与蜂面积线性关系良好, 平均回收率99.8%, RSD=0.35% (n=6) 。结论:高效液相色谱法测定金刚滕颗粒中薯蓣皂苷元含量简便可行、重现性好, 可用于金刚滕颗粒的质量控制。

关键词：金刚藤颗粒,薯蓣皂苷元,含量测定

金刚藤颗粒仅由一味药材组成, 测定本品中两种主要成分的含量, 可有效控制该品质量。原试行标准中有山奈素和β-谷甾醇的含量测定, β-谷甾醇采用薄层扫描法测定, 方法复杂, 操作过程长, 人为操作因素多, 重现性差, 数据不够稳定;山奈素含量测定采用高效液相色谱法, 操作相对简便, 检测数据准确。由于β-谷甾醇不是金刚藤 (菝葜) 的主要成分, 且专属性不强, 故拟去除β-谷甾醇含量测定方法, 保留山奈素的含量测定。据有关资料报道, 菝葜中主要成分为薯蓣皂苷元及由薯蓣皂苷元构成的多种皂苷。薯蓣皂苷元已有法定的对照品, 文献资料也报道有多种测定薯蓣皂苷元含量的方法。根据药典委员会建议, 拟增加薯蓣皂苷元的含量测定研究。

1 仪器与试药

1.1 仪器

DIONEX高效液相色谱仪 (包括四元泵, 自动进样器, 脱气机, UVD-340U二极管检测器, 配备DIONEX变色龙工作站) 。

1.2 试药

薯蓣皂苷元对照品 (由中国食品药品检定研究院提供, 供含量测定用, 批号:110734-200407) ;甲醇为色谱纯, 水为重蒸馏水, 其他为分析纯。

样品批号:20070501、20070502、20070503、20080201、20080401、20080502、20080503、20080504、20080701、20090101、20090301、20090601、20090801、20090901、20090902、20090903、20090904、20091101, 其中20090801为方法学验证样品。

2 方法与结果

2.1 色谱条件

色谱柱:Kromasil C18柱 (4.6mm×250mm, 5μm) ;流动相:甲醇∶水 (93∶8) ;流速:1.0mL/min;进样量:20μL;检测波长的选择:203nm。

二极管检测器的色谱峰显示, 薯蓣皂苷元在203nm波长检测时峰面积最大, 参照《中国药典》 (2005版) 一部菝葜项下含量测定方法, 选择检测波长为203nm。

在该色谱条件下, 供试品中薯蓣皂苷元与其他杂质峰能达到基线分离, 理论塔板数按薯蓣皂苷元峰计算暂定为8 000以上。见图1。

2.2 对照品溶液的制备

精密称取薯蓣皂苷元对照品适量, 加甲醇制成0.02mg·mL-1的薯蓣皂苷元溶液, 即得。

2.3 供试品溶液的制备

取装量差异项下的内容物, 研匀, 取约2g, 精密称定, 置平底烧瓶中, 精密加入乙醇100mL、盐酸16mL, 称定重量, 置水浴加热回流提取2h, 取出, 放冷, 加乙醇补足减失重量, 滤过, 精密量取续滤液50mL, 用石油醚60~90℃振摇提取4次, 每次30mL, 合并提取液, 回收溶剂至干, 残渣加甲醇溶解并转移至10mL容量瓶中, 加甲醇至刻度, 摇匀, 滤过, 即得。

2.4 线性关系考察

取薯蓣皂苷元对照品溶液 (1.99mg/mL) , 分别精密吸取0.2、0.5、1.0、1.5、2.0mL, 分别置10mL容量瓶中, 加甲醇至刻度, 摇匀。分别吸取20μL注入高效液相色谱仪, 记录峰面积, 以进样量为横坐标, 峰面积为纵坐标, 绘制标准曲线, 其回归方程:Y=86.627X-0.316 6, 相关系数r=0.999 9。薯蓣皂苷元进样量在0.080 4~0.804μg范围内, 线性关系良好。见表1、图2。

2.5 重复性实验

分别精密称取样品 (批号:20090801) 6份, 按上述方法制备供试品并进行测定, 薯蓣皂苷元平均含量为2.22mg/g, RSD为0.89%, 见表2。

2.6 精密度实验

采用加样回收法, 精密称取本品 (批号:20090801) 适量, 共6份, 精密加入对照品溶液 (0.212mg/mL) 0.5、0.6、1.0mL各2份, 按上述方法制备供试品, 测定供试品中薯蓣皂苷元的含量, 分别计算回收率, 并计算RSD。结果见表3。

2.7 耐用性试验

2.7.1 不同提取方法选择取本品约2g, 精密称定, 置平底烧瓶中, 分别按下面方法提取, 滤过, 取滤液, 测定。结果见表4。

方法1:精密加入乙醇100mL, 超声处理30min, 放冷, 用乙醇补足减失重量, 滤过, 精密量取续滤液50mL, 加盐酸8mL, 置水浴中加热回流提取2h, 取出, 放冷, 用石油醚 (60~90℃) 振摇提取4次, 每次30mL, 合并提取液, 回收溶剂至干, 残渣加甲醇溶解并转移至10mL容量瓶中, 加甲醇至刻度, 摇匀, 滤过, 即得。

方法2:精密加入乙醇100mL, 称重, 置水浴中加热回流提取2h, 放冷, 用乙醇补足减失重量, 滤过, 精密量取续滤液50mL, 加盐酸8mL, 置水浴中加热回流提取2h, 取出, 放冷, 用石油醚 (60~90℃) 振摇提取4次, 每次30mL, 合并提取液, 回收溶剂至干, 残渣加甲醇溶解并转移至10mL容量瓶中, 加甲醇至刻度, 摇匀, 滤过, 即得。

方法3:精密加入乙醇100mL和盐酸16mL, 称定重量, 置水浴中加热回流提取2h, 取出, 放冷, 用乙醇补足减失重量, 滤过, 精密量取续滤液50mL, 用石油醚 (60~90℃) 振摇提取4次, 每次30mL, 合并提取液, 回收溶剂蒸干, 残渣加甲醇溶解并转移至10mL容量瓶中, 加甲醇至刻度, 摇匀, 滤过, 即得。

由结果可知, 回流提取效率高于超声处理, 方法2、方法3的提取效率相近, 但方法3提取时间较方法2短, 故采用方法3制备供试品溶液。

2.7.2 提取溶剂量及提取时间的选择取本品约2g, 精密称定, 置平底烧瓶中, 按表5操作方法测定。结果见表5。

由表5可知, 回流水解2h, 薯蓣皂苷元含量最高;溶剂量少其含量偏低, 可能因为溶剂量少时, 药粉水解不完全。

2.7.3石油醚提取次数的确定取本品约2g, 精密称定, 置平底烧瓶中, 按表6操作方法测定。结果见表6。

由表6可知, 提取4次与提取5次无差异, 说明提取4次已完全。

2.7.4 稳定性试验取供试品溶液 (批号:20090801) , 按“2.1”项色谱条件, 每隔一定时间进样1次, 测定峰面积, 计算RSD, 结果表明:供试品溶液在室温下放置8h内基本稳定。见表7。

2.8 样品测定结果

按上述方法对11批样品进行测定, 结果见表8。

由于药材产地及采收季节的不同, 药材中薯蓣皂苷的含量差异较大;根据上述结果, 暂定本品薯蓣皂苷元 (C27H42O3) 含量为每袋不得少于1.0mg。

3 讨论

参考相关资料, 采用高效液相色谱法对本品薯蓣皂苷元的含量进行测定, 并进行方法学验证。高效液相色谱法测定金刚滕颗粒的薯蓣皂苷元含量操作相对简便, 结果准确, 重现性好, 可作为本制剂的含量测定方法。

参考文献

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典[S].一部.北京:化学工业出版社, 2005, 216.

[2]沈娟, 武向峰, 朱臻宇, 等.RP-HPLC法测定金刚藤软胶囊中薯蓣皂苷元的含量[J].中药新药与临床药理, 2005, 16 (6) :438-440.

金刚藤颗粒 篇2

问：盐酸金刚烷胺颗粒(协和)有什么不良反应?

答：1.常见的不良反应为消化道和中枢神经系统：头晕目眩、头痛失眠焦虑、幻觉、精神混乱，恶心，食欲减退、便秘、口鼻干。白细胞减少及粒细胞减少。2.持续存在或比较顽固难以消失的不良反应有：注意力不集中，头晕目眩，易激动;食欲消失，恶心，神经质，皮肤出现紫红色网状斑点或网状青斑，睡眠障碍或恶梦等为常见;视力模糊，便秘，口、鼻及喉干，头痛，皮疹，经常疲劳或无力，呕吐等为少见或极少见。3.长期应用可出现足部或下肢肿胀，不能解释的呼吸短促，体重迅速增加(可能因出血性心力衰竭所致)。

金刚藤颗粒 篇3

关键词：高效液相色谱,金刚藤颗粒,薯蓣皂苷元,含量

金刚藤颗粒为我市某医院制剂,由百合科植物菝葜Smilas China L.的根茎经加工制成,具有清热解毒,消肿散结的功效,临床用于附件炎和附件炎性包块的治疗。菝葜属植物中含有甾体皂苷、黄酮、植物甾醇等多种化学成分[1]。该制剂的质量标准中含量测定采用薄层扫描法,操作繁琐,专属性不强,且使用毒性较强的苯作为溶剂。本文参考文献[2]采用了HPLC法对其中薯蓣皂苷的水解产物薯蓣皂苷元进行含量测定,方法简单,结果准确,重现性好,为该制剂质量控制提供了有效方法。

1 仪器与试药

1.1 仪器

LC-2000型高效液相色谱仪,包括P2000输液泵、UV2000紫外检测器、TJ2000色谱工作站(北京创新通恒有限公司);BS21S电子天平(北京赛多利斯天平有限公司);SK-3300超声仪(功率300w,频率40kHz,上海科导超声仪器有限公司)。

1.2 试药

薯蓣皂苷元对照品(中国药品生物制品检定所,批号1359-200001);金刚藤颗粒(鄂州市某医院,批号为20090321、20090615、20091216);乙腈为色谱纯;水为二次重蒸水,其它试剂均为分析纯。

2 方法与结果

2.1 色谱条件及系统适应性

色谱柱:Kromasil-100 C18(250mm×4.6mm,5μm);流动相:乙腈-水(90∶10);检测波长:203nm;流速:1.0mL/min;柱温:35℃;进样量:20μL。理论塔板数按薯蓣皂苷元峰计算应不少于4000。

2.2 溶液的制备

2.2.1 对照品溶液的制备

精密称取经60℃干燥至恒重的薯蓣皂苷元对照品适量,加乙腈超声使溶解,制成每1mL含0.2mg的溶液,即得。

2.2.2 供试品溶液的制备

取本品,研细,称取粉末约10g,精密称定,置索氏提取器中,加乙醇适量,浸渍过夜,加热回流至提取液近无色,回收溶剂至约100mL,加热回流水解2.5h,放冷,用石油醚(60~90℃)振摇提取4次,每次40mL,合并石油醚提取液,回收溶剂至干,残渣加乙腈溶解并转移至10mL量瓶中,加乙腈至刻度,摇匀,用微孔滤膜(0.45μm)滤过,取续滤液,即得。

2.2.3 阴性样品溶液的制备

按处方比例和制法制成不含金刚藤的阴性样品,按照上法制备阴性样品溶液。

2.3 干扰试验

在上述色谱条件下,供试品溶液与对照品溶液主峰的保留时间一致,薯蓣皂苷元峰与其它峰完全分离、峰形较理想,阴性样品无干扰。见图1。

2.4 线性关系考察

精密称取薯蓣皂苷元对照品12.05mg,置25mL容量瓶中,加乙腈超声使溶解并稀释至刻度,摇匀,作为储备液。分别量取储备液1.0、2.0、3.0、4.0mL至5mL容量瓶中,加乙腈稀释至刻度,摇匀。取上述4种浓度的溶液及储备液,共5个梯度浓度的溶液,用定量环分别进样20μL,记录色谱图,以进样量(X,μg)为横坐标,峰面积(Y)为纵坐标进行线性回归,方程为:Y=3.5689×104X+4.2868×103,r=0.9998。结果表明:在1.928~9.640μg范围内,薯蓣皂苷元的进样量与峰面积呈现良好线性关系。.

2.5 精密度试验

取对照品溶液,连续进样5次,每次20μL,测定薯蓣皂苷元峰面积,RSD为0.9%(n=5)。

2.6 稳定性试验

将供试品溶液常温放置,分别于0、2、4、6、8、12h进样20μL,测定薯蓣皂苷元峰面积,RSD为1.5%(n=5)。结果表明,供试品溶液在12h内基本稳定。

2.7 重复性试验

取批号为20091216供试品5份,分别按照“2.2.2”项下方法制备供试品溶液,按照上述相同色谱条件测定,计算,薯蓣皂苷元含量的RSD为1.9%(n=5)。

2.8 加样回收试验

精密称取重复性试验项下各份余下的已测定含量的金刚藤颗粒5份,每份约5g,分别加入对照品约2mg,按照“2.2.2”项下方法制备供试品溶液,进样20μL,结果见表1。

2.9 样品含量测定

取金刚藤颗粒,按照“2.2.2”项下方法制备供试品溶液,取对照品溶液与供试品溶液分别进样20μL,测定,以外标法(峰面积)计算含量,结果见表2。

3 讨论

3.1 菝葜的质量标准[2]中供试品回流时间为2h,本试验中由于供试品量的增加,为考察水解是否完全,选用了2.0、2.5、3.0h进行水解,结果三者测定值分别为0.36、0.45、0.44mg/g,故选择2.5h。

3.2 为考察供试品是否提取完全,分别进行了4、5、6次提取,结果三者测定值分别为0.43、0.44、0.43mg/g,说明4次已基本提取完全,故选择提取4次。

3.3 薯蓣皂苷元在乙腈中振摇溶解不太理想,通过超声处理可得到较好溶解。

参考文献

[1]赵钟祥,冯育林,阮金兰等.菝葜化学成分及其抗氧化活性的研究[J].中草药,2008,39(7):975-977.

金刚藤颗粒 篇4

多颗粒金刚石小砂轮轴向进给磨削时，其法向磨削力和轴向磨削力的方向指向材料的待加工部分，主要引起中位裂纹和径向裂纹[1]，而切向磨削力则引起横向裂纹，且中位裂纹的扩展方向与轴向进给方向一致。横向裂纹和中位裂纹的扩展均引起材料被去除，因此，多颗粒金刚石小砂轮轴向大切深缓进给磨削加工可成为一种高效的粗加工方法。

本文建立了多颗粒金刚石小砂轮轴向进给加工磨粒的运动轨迹模型，揭示了加工参数与磨粒运动规律之间的关系。运用合适的实验方案和测力系统，并利用边缘检测和轮廓曲线拟合方法实时追踪检测金刚石顶尖曲率半径[2,3]变化。通过仿真实验和不同加工参数下实际的陶瓷加工实验，分析了进给速度对边缘破碎[4]、磨削力、金刚石磨粒耗损的影响规律，实验结果与仿真结果一致。

1 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给磨粒运动的理论模型与仿真

1.1 多颗粒金刚石小砂轮结构设计

如图1所示，在小砂轮端面上焊接两排较粗大的金刚石颗粒，砂轮磨具头部位呈倒锥型，端面边缘金刚石颗粒之间的间隙小于1 mm，基体材料为45钢。实验中用金刚石磨粒顶锥角2θ及磨削刃圆弧半径ρg来表征磨粒切削性能[5]。在金刚石端部焊接制备的单颗粒金刚石顶锥角2θ分别为60°、120°和150°，初始尖端圆弧半径ρg都为4μm。

1.2 轴向进给磨削运动的基本矢量模型

轴向进给磨削加工运动模型如图2所示，其中，R为工件已加工部分的半径，r为小砂轮磨粒所在圆周的半径。选取工件轴心为绝对坐标系Oxyz的原点，以小砂轮轴心为原点建立O'uvw、O'x'y'z'、O″u'v'w'三个相对坐标系。

砂轮轴心矢量C是描述运动过程中相对坐标系O'uvw的原点在绝对坐标系Oxyz中位置的矢量;图2中，工件旋转θw角度(即砂轮相对工件公转θw角度)后，小砂轮轴心矢量C可用下式表达:

磨粒矢量T为描述运动过程中砂轮圆周表面上单颗磨粒在相对坐标系O'uvw中位置的矢量。若先设定工件旋向为顺时针方向，则顺磨时砂轮逆时针旋转，逆磨时砂轮顺时针旋转，此时在相对坐标系O'x'y'z'中的刀具矢量T为

式中，θt为小砂轮转角;“+”表示顺磨，“-”表示逆磨。

把相对坐标系O'x'y'z'中的矢量变换成相对坐标系O'uvw中的矢量，其变换矩阵为

其中，顺磨时取“±”中上面的符号，逆磨时取“±”中下面的符号。

1.3 磨粒运动的矢量模型

由砂轮轴心矢量C和磨粒矢量T的矢量和可得到磨粒在绝对坐标系中的位置矢量P的表达式:

若假定小砂轮表面的磨粒均匀分布在圆周上，磨粒总数为m，相邻磨粒轨迹只差一个相位角，则式(2)可扩展为

式中，i为砂轮同一圆周上的磨粒编号。

在实际加工中，砂轮需要沿工件径向做进给运动。若小砂轮的轴向进给速度为f，磨削时间为t，则可得轴向大切深缓进给磨削加工时同一圆周上各磨粒运动的矢量表达式:

1.4 轴向进给磨削磨粒运动轨迹仿真

用MATLAB对轴向进给磨削加工工程陶瓷材料的运动轨迹进行了模拟仿真，所选用砂轮直径为20 mm，工件直径均为30 mm。图3和图4为0～0.4 s内，每0.004 s取磨粒的位置并用直线连接的仿真轨迹图，可以清晰地看出磨粒的运动轨迹情况。图中，nw为工件转速，nt为砂轮转速。

磨粒的运动轨迹对磨削力的大小、工件加工质量、砂轮耗损等都有影响。图3所示是顺磨时的情况，可看出陶瓷工件和砂轮转速的变化都会影响线条的密集程度，即导致两者之间的接触点数发生变化，接触点越多表明磨粒参与磨削的次数越多。从仿真结果可以看出，砂轮转速对接触点密集程度有较大影响，显然，nt=5500 r/min时的接触点数比nt=3000 r/min时的接触点数少，这意味着磨屑更细小，表面质量更高，磨削力更小。

由图4还可以看出，磨粒轴向的运动轨迹是螺旋线，轴向进给速度和陶瓷件转速都直接影响螺旋距的变化。轴向进给速度不变时，陶瓷转速对轴向磨粒的运动轨迹影响较大，其转速越大导致螺旋距越小，但此时接触点疏密程度变化并不太明显。当陶瓷件的转速不变时，砂轮轴向进给速度越大，导致螺旋距变大，但由于砂轮和陶瓷件转速不变，即总的接触点不变，所以接触点会变得稀疏。此时，轴向磨屑会变大，磨削力变大，金刚石磨粒更容易磨损，工件表面边缘破碎的碎片也会大块掉下，加工表面粗糙度会变大。

2 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度的实验方案

2.1 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给实验系统

本文通过实验重点研究多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度变化对磨削力、加工质量、砂轮耗损等的影响。

实验平台如图5所示，主要包括BV75立式加工中心、低速电机、测力仪等，小砂轮装夹在加工中心的主轴上，陶瓷工件装夹在低速电机的三爪卡盘上。采用北京航空航天大学研制的高性能应变片式车铣钻磨通用测力仪，型号为SDC-C4F。

采用反应烧结的Si3N4陶瓷进行磨削实验，毛坯材料直径为26 mm，高度为60 mm。材料的主要性能参数如下:密度ρ=2.73 g/cm3，弹性模量E=160 GPa，断裂强度KIC=2.85 MPa·m1/2。并采用表1所示的三组工艺参数进行实验，表中，ap为磨削深度。

2.2 金刚石磨粒的磨损测量

实验中利用边缘检测和轮廓点曲线拟合方法计算金刚石尖端圆弧半径来表征金刚石的锋锐程度。金刚石尖端圆弧半径检测步骤如下:1SEM观测图像。采用1000倍率的SEM观测图像，使金刚石尖端完全落入SEM视场内，图形的边缘轮廓清晰。2图像预处理。用MATLAB对采集的TIF格式SEM图像进行图像增强、平滑、二值化处理，可得到视觉效果较好、边缘轮廓信息丰富的灰度图像。3边缘检测。采用Canny算子运用双阈值算法生成光滑细腻的边缘。4轮廓点采样与曲线拟合。按高阶多项式函数的曲线来拟合SEM图像的轮廓点集。本次采样点数为40，曲线拟合阶数为8，能如实反映金刚石颗粒尖端轮廓细节和曲率变化。5曲率半径计算。经最小二乘曲线拟合得到物体边缘轮廓的拟合函数y=f(x)后，计算函数上各点沿切线方向的曲率k，取其倒数得到拟合函数的最小曲率半径Rf。

3 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度的实验结果及分析

3.1 轴向进给速度对加工质量的影响

在磨削过程中，砂轮开始接触或离开陶瓷工件时，受应力集中影响会在边缘产生剥落或者破碎现象，称为边缘碎裂。如图6所示，当轴向进给速度较大时，陶瓷工件边缘处发生尺寸较大的片状脱落。这是由于中位裂纹快速扩展造成的，而轴向进给速度则是控制中位裂纹扩展速度的关键[6]。由于边缘破碎的深度比磨削深度ap小，所以中位裂纹的扩展对材料强度的影响较小，而主要是导致材料的去除。另一方面，随着轴向进给速度的增大，单颗磨粒的运动轨迹变得稀疏，加工时形成的磨屑变大，得到的加工表面必然变得粗糙。

3.2 轴向进给速度对磨削力的影响

磨削力源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与轴向进给速度有关，是评价材料磨削性能的一个重要指标。

图7所示为法向磨削力Fn、切向磨削力Ft和轴向磨削力Fa随轴向进给速度的变化规律，可见，在三组不同加工参数下进给速度对磨削力的影响趋势一致。任何一组加工参数下，实验测量得出的三向磨削力均是轴向磨削力最大，法向磨削力次之，切向磨削力最小，且随着轴向进给速度的增大，三向磨削力均变大。这是由于砂轮转速不变时，轴向进给速度增大使得砂轮每转进给量增大，对应的单颗磨粒的最大未变形切削厚度必然增大，因而作用在工件或磨粒上的磨削力就增大。

3.3 轴向进给速度对砂轮磨损的影响

实验中对金刚石磨粒进行标号，且通过实时跟踪SEM观测，发现金刚石颗粒尖端磨耗过程中同时存在解理剥落和挤压破碎，磨粒破损脱落时会产生新磨刃的自砺作用，这导致圆弧半径增大。

图8所示为轴向进给速度分别为100 mm/min、200 mm/min时的实验结果，可以看出，采用较高的工件进给速度时，金刚石磨粒行程变短，砂轮更容易磨损。因为进给速度增大，导致磨粒与工件的法向与切向摩擦力增大，磨粒承受较大的反作用力，磨粒与工件接触区的高温致使磨粒局部软化，加剧了磨削刃的磨损。

4 结论

(1)建立了小砂轮轴向进给磨削运动的磨粒运动矢量模型并进行了仿真实验。当轴向进给速度变大时，轴向进给运动轨迹螺旋线的螺旋距变大，磨粒与工件的接触点变稀，加工表面粗糙度会变大，脆性断屑片变大，磨削力变大，金刚石颗粒磨损加快。

(2)通过实际加工实验重点研究了轴向进给速度对加工质量、磨削力、金刚石尖端圆弧半径的影响，实验结果与仿真分析结果基本一致。随着轴向进给速度的增大，陶瓷工件边缘破碎的碎片稍变大，工件表面粗糙度变大，磨削力变大，金刚石砂轮磨损也变大。

参考文献

[1]于思远.工程陶瓷材料的加工技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]王健全,田欣利,张保国,等.微小曲率半径的图像处理测量方法[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(3):84-87.Wang Jianquan,Tian Xinli,Zhang Baoguo,et al.Image Processing Method of Measurement of Small Radius of Curvature[J].Journal of the Academy of Armored Forces Engineering,2012,26(3):84-87.

[3]王健全,田欣利,张保国,等.微纳尺寸零件曲率半径测量方法[J],解放军理工大学学报,2014,15(1):56-61.Wang Jianquan,Tian Xinli,Zhang Baoguo,et al.Measuring Method to Curvature Radius of Micro-nano Size Part[J],Journal of PLA University of Science and Technology,2014,15(1):56-61.

[4]唐修检,田欣利,吴志远,等.工程陶瓷边缘碎裂行为与机理研究进展[J].中国机械工程,2010,21(1):114-119.Tang Xiujian,Tian Xinli,Wu Zhiyuan,et al.Research Progress of Edge Chipping Behavior and Mechanism of Engineering Ceramics[J].China Mechanical Engineering,2010,21(1):114-119.

[5]任敬心,华定安.磨削原理[M].北京:电子工业出版社,2011.

金刚藤颗粒 篇5

金刚石颗粒生产出来之后需要按照国家标准或国际标准进行分级和选形,不同等级的金刚石具有不同的用途和经济价值,因此金刚石的分选(分级和选形)是金刚石整个生产过程中的重要环节。在进行金刚石分选时,需要测量纯净度、粒径、椭圆度、圆度、颜色等系列特征参数[1],这些特征参数是金刚石质量对比的依据,也是金刚石分级和分选的基础。目前国际上使用的先进的金刚石图像和形貌检测仪器主要有两种,分别是德国制造的Dia Inspect.OSM超硬磨料图像自动分析系统和由瑞士开发的Diashape电脑检测系统,它们能够快速地获得金刚石的各种特征参数,有效地确定金刚石的品级,但是这种设备价格昂贵,测量范围有限[2,3]。 目前国内主要是使用光学显微镜放大20~100倍由人工测量特征参数的方法进行金刚石颗粒品级的鉴定,该方法检测效率低,鉴定结果的主观性大,不能适应金刚石行业发展的需要。随着计算机技术和数字图像处理技术的发展,国内不少研究者将机器视觉技术和数字图像处理技术应用于金刚石特征参数的测量中,实现了金刚石某一项特征参数的测量,如:史长琼等采用改进Canny算法实现了金刚石粒径的自动测量[4];简丽娟等采用Lab VIEW语言实现了金刚石晶体的面积、周长和粒径等尺寸参数测量[5];李银华等用MATLAB在HIS色彩空间仿真实现了金刚石净度的自动检测[6];江国学等采用MATLAB实现了金刚石颗粒数目、面积的测量[7];张秀芳等利用MATLAB软件进行图像处理和相关数值计算,识别出金刚石磨粒的粒度[8];但是这些研究与工程实际应用尚有一段距离。因此,金刚石颗粒特征参数的快速低成本测量技术的研究仍是金刚石行业目前迫切需要解决的问题。

本文采用机器视觉图像处理软件HALCON实现了金刚石颗粒的粒径、圆度、椭圆度、净度等特征参数的测量,粒径的测量精度可以达到亚像素级别。本文的研究为金刚石颗粒特征参数提供了高速、高精度的测量方法。

1样品的采集

实验采用在Nikon Elicpse E200生物显微镜上拍摄的图像进行分析,实验样品是某公司制造的金刚石单晶体。样品图像采集时,显微镜目镜的放大倍数为4X, 物镜的放大倍数为10X。由于金刚石晶体具有透明性及光线反射折射等作用,显微镜下方的光源使得图像的亮度不均匀,中间将出现一个白色区域,如图1(a)所示, 影响特征参数的分析和测量。因此,为了增强图像的对比度,图像采集时,我们把金刚石颗粒放在白色滤光纸上进行检测,同时关闭显微镜下方的照明系统,在上方采用LED光源进行均匀照明,得到的图像如图1(b) 所示。

2金刚石颗粒参数测量中的关键技术

采集图像后,本文采用HALCON图像处理软件进行金刚石颗粒特征参数的测量,测量流程图如图2所示。

2.1图像分割

图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤,其目的是从图像中把目标区域和背景区域分开。图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。其中,基于阈值的分割方法是运算效率较高的方法,也是目前最为常用的方法,它包括全局阈值法(threshold)、动态阈值法(dyn_threshold)、自动阈值法(bin_threshold),等等。全局阈值法和动态阈值法都是“固定阈值法”,它们仅在物体的灰度值和背景的灰度值不变时效果较好,不适合物体自动化检测时的图像处理。自动阈值法不需要人工设置阈值,但是它应用在直方图中存在双峰的情况,且其输入是单通道图像才可能有较好的效果。

本文摄像机采集得到的图像是RGB三通道的彩色图像,需要先用decompose3算子将RGB图像分解成R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)三幅单通道图像,然后再用自动阈值算子bin_threshold对R通道图像(或G通道图像)进行图像分割处理。如图3所示的图像是对图1(b) 所示图像的R通道图像的分割结果,可以看出,目标区域从背景区域中较好地分割出来,分割效果较好。

2.2亚像素边缘提取

由图3(a)可以看出,金刚石晶体投影面的各部分被分割成多个不连通的区域,需要将这些彼此分割开的区域合并为一个单一的连通区域,同时去掉一些干扰区域。为解决此问题,我们用区域形态学进行处理。 首先用算子select_shape选择感兴趣的区域(Region Of Interesting,ROI),然后用边长为10的矩形结构元素对ROI进行膨胀操作,此时ROI将合并成一个单一连通区域,最后用算子reduce_domain将该单一连通区域与原始图像进行裁剪处理,裁剪出ROI图像,结果如图3(b)所示。此时,可以用算子threshold_sub_pix从该ROI图像中提取图像轮廓边缘,提取的边缘具有亚像素精度,结果如图3(c)所示。由图可以看出,得到的边缘比较清晰、 完整。

2.3XLD轮廓的处理

提取的亚像素边缘是由多个像素点组成的XLD (e Xtended Line Descriptions)轮廓。由图3(c)可以看出,XLD轮廓中即有金刚石颗粒黄色透明区域的轮廓, 也有不透明区域的外轮廓,同时还包括噪声、杂质等的轮廓,因此,XLD轮廓处理的第一步是用算子select_shape_ xld选择出测量对象是黄色区域轮廓还是颗粒外轮廓。

XLD轮廓数据是由大量的轮廓边界点像素信息组成,我们对这些点的像素信息并不感兴趣,只对由这些像素点拟合成的几何图形及其特征参数感兴趣,因此XLD轮廓处理的第二步是用算子shape_trans_xld将XLD轮廓转换为凸包。图3(d)所示中的多边形是由图3(c)中的XLD轮廓转换的XLD凸包。

2.4金刚石特征参数的测量

得到XLD凸包后,分别对XLD凸包进行分割和拟合,得到多边形的边长、面积等参数,便可实现金刚石特征参数的测量。

2.4.1粒径的测量

金刚石粒径是描述金刚石性能的重要参数。工业上,单颗金刚石粒径是指在某一视场中,与金刚石投影面积相同的圆的直径[10]。因此,测量粒径时,需要用算子area_center_xld求得XLD凸包的面积,该面积即为金刚石的投影面积S,则与金刚石之表面积S相等的圆的直径可由公式计算得到。

2.4.2圆度的测量

工业金刚石的圆度是用金刚石颗粒投影面的周长与金刚石投影面积相等之圆的周长之比表示。因此,圆度的测量需要计算金刚石颗粒投影面的周长和面积两个参数。

金刚石颗粒投影面周长的检测方法为:首先用算子segment_contours_xld将XLD凸包分割为线段轮廓,然后用算子select_contours_xld选择凸包中属于金刚石边缘的有效轮廓,并用算子fit_line_contour_xld对有效轮廓采用tukey权重函数进行拟合,得到金刚石轮廓各边的拟合直线和各拟合直线的首尾端点坐标。将每条拟合直线的首尾端点坐标保存到数组中,最后用算子distance_pp计算出XLD多边形轮廓的各边边长,各边边长之和即为金刚石颗粒投影面的周长。

与金刚石投影面积相同的圆的周长P可由公式计算得到。其中, S是金刚石的投影面积,用算子area_center_xld测得的XLD凸包的面积。

2.4.3椭圆度的检测

金刚石晶体的短轴和长轴之比称之为椭圆度。用算子inner_circle对XLD凸包进行拟合得到其最大内切圆, 该最大内切圆直径的大小即为金刚石晶体的短轴。用算子shape_trans_xld对XLD凸包进行拟合得到其最小外接圆,该最小外接圆直径即为即为金刚石晶体的短轴。

XLD凸包拟合的最大内切圆和最小外接圆如图4所示。

2.4.4净度的测量

金刚石的净度由杂质投影面积与金刚石投影面积之百分比表示。杂质的颜色与金刚石晶体的颜色差异是识别金刚石净度的重要依据。用算子threshold分割出黄色透明区域中的杂质区域,然后用算子area_center计算杂质和XLD凸包的面积,二者之百分比为金刚石的净度。

2.4.5透度和明亮度

用算子area_center测量出黄色区域的面积,该面积与XLD凸包的面积的百分比作为金刚石透光度度量指标,该指标表示了金刚石颗粒的成色,直观地表征了金刚石的质量。

用算子intensity计算黄色区域的灰度平均值,该值是金刚石颗粒明亮度的评定指标。

3实验结果和分析

为了验证本文所述方法的普适性,对一些金刚石颗粒样品进行了验证测量,表1是其中几个典型样品的测量结果。拍摄前对图像采集系统进行了标定和坐标系的转换,图像大小为768pixel×576pixel。每个样品的计算机处理时间为160ms左右。

在表1中,代号一栏是人工进行金刚石分选时给出的标号,其中字母“D”代表大单晶,第一位数字表示净度的等级,第二位数字表示形状的分级,第三、四位数字表示其粒度的大小,第五、六位数字表示其厚度大小。

由表1可以看出:1)图像分析得到的XLD轮廓较好地反映了金刚石的形状,可以根据XLD轮廓的边数和各边边长的比例关系进行形状分类,如果为正方形则为1类,接近正方形为2类,多边形为3类。2)可以快速、 准确地测量出金刚石颗粒粒径大小,测量的精度可以达到亚像素级别。经过多次实验表明,测量结果稳健可靠。3)在进行金刚石净度分级时,目前大多采用经验定性地进行判断,结果不可靠。本文将杂质投影面积与金刚石投影面积之百分比定量地测量出了金刚石颗粒的净度,并依此作为净度分级的依据,方法科学、直观。 4)简单方便地测量出了圆度、椭圆度、透度、灰度等参数值,为有效地确定金刚石的品级提供了科学依据。

4结论

金刚石特征参数是金刚石质量对比的依据。本文基于机器视觉技术研究了金刚石颗粒特征参数的自动测量方法,给出了采用机器视觉图像处理软件HALCON进行图像分析的关键步骤和方法,实现了粒径、椭圆度、 圆度、净度、形状等特征参数的快速、准确测量,为有效地确定金刚石的品级提供了依据。对一些金刚石颗粒样品进行验证测量,结果表明,采用本文所述方法,可以简单而快速地获得金刚石的各种特征参数,测量的精度可以达到亚像素级别,测量结果与人工检验结果相吻合。本文的研究为金刚石颗粒自动分选系统的搭建提供了技术支撑。

摘要：基于机器视觉技术研究了金刚石颗粒特征参数的自动测量方法,给出了采用机器视觉图像处理软件HALCON测量粒径、圆度、椭圆度、净度、形状等特征参数的关键步骤。最后对一些金刚石颗粒样品进行了实例测量,结果表明,采用文章所述方法,可以简单快速地获得金刚石的各种特征参数,粒径的测量精度可以达到亚像素级别,测量结果稳健可靠。

金刚藤颗粒 篇6

关键词：细颗粒,金刚石,高温高压合成,成核密度,过剩压

1 引言

人造金刚石微粉是一种新型的超硬超细磨料, 它被广泛应用于机械、电子、航天和军工等领域, 是研磨抛光硬质合金、陶瓷、宝石、光学玻璃等高硬度材料的理想材料。目前, 国外对细粒度金刚石的研究较为成熟, 但由于金刚石的巨大商业价值, 其合成方法一直是非公开的。国内细颗粒金刚石合成的粒度一般大于400目 (38μm) , 小于600目的细颗粒晶体一般都是由粗颗粒金刚石粉碎后得到的, 这种方法费时费力, 而且得到的晶体没有完整晶形, 因此其机械性能受到了严重的影响[1,2,3,4,5]。不具备完整晶形, 而且内部有大量缺陷, 所以限制了其应用范围。这样的方法需要花费大量的人力、物力和时间, 而且经过破碎的金刚石, 尽管经过适当的整形处理, 仍然不能获得满意数量的等积形微粒, 颗粒形状比较杂乱, 使用寿命受到一定的影响, 且成本较高, 难以满足工业日益增长的需要。我们以前的研究结果表明, 人工合成的具备完整晶形的细颗粒金刚石单晶比同粒度的破碎料具有更高的热稳定性[6]。在高端的金刚石工具制造方面必将逐步成为破碎料微粉的替代品。因此, 系统地研究影响金刚石粒度的各方面因素, 成为我们急需解决的课题。

本文根据金刚石合成不同区域的生长特点, 体系成核率对金刚石合成的影响进行了详细考察, 并通过对合成工艺进一步改进, 从而实现优质细颗粒金刚石单晶的高温高压合成。本实验为以后进一步合成更小尺寸的超细颗粒金刚石单晶提供了一种新途径。通常我们对于常规粒度金刚石进行表征除了进行形貌的观察外还可以进行冲击强度 (TI) 和热冲击强度 (TTI) 等机械性能和光学、热学、电学等性能的测量。而目前对于超细颗粒的金刚石还没有一个统一的评价标准。对于超细颗粒金刚石单晶来说, 测定其冲击强度非常困难, 而金刚石热稳定性的测试是一项重要的性能指标。本实验对合成的细颗粒金刚石的热稳定性进行了表征。希望通过本研究, 找到一种更加优化的合成方法, 从而对国内细粒度金刚石单晶的生产发展有所帮助。

2 实验

本实验是在国产SPD 6×1670 型六面顶压机上进行的。采用Fe70Ni30粉末作为合成金刚石的触媒, 纯度为99.9%的天然鳞片石墨作为碳源。把金属触媒与石墨放置于球磨混料机, 等混合均匀后, 压成一个样品柱。高压合成腔体如图1所示。实验中在压力为5.0～5.5GPa, 温度为1350℃～1450℃的条件下做了5～30min的尝试。

实验中的合成压力是根据铋、钡和铊的高压相变点所建立的油压与腔体内部的压力的定标曲线进行标定的。合成温度是根据Pt6%Rh-Pt30%Rh热电偶测定的输入功率与温度的关系曲线进行标定的。实验结束后。我们利用光学显微镜与电子扫描电镜对合成的金刚石晶体进行观察和分析。为了比较我们合成的细颗粒金刚石单晶与破碎料之间的抗氧化能力的不同, 我们利用NETZSCH STA 449C型热分析仪对合成的细颗粒金刚石样品进行了差热和热重分析, 利用拉曼光谱对其内部应力进行了测试。

3 分析与讨论

3.1 细粒度金刚石单晶体的合成

目前, 如何最大限度地提高体系成核率与降低后期生长速度, 是限制细颗粒金刚石单晶合成的关键因素。根据金刚石合成的溶剂理论可知[7], 金刚石的成核与生长均由体系中的过剩压力决定。体系中较高的过剩压可以提高体系中的成核率, 同时却导致合成的晶体生长速度也明显加快, 因此不利于细粒度金刚石单晶的批量化合成。如何协调这两者的关系, 是实现优质细粒度工业金刚石单晶合成的前提。本文通过对合成工艺的调整, 从而实现对体系中金刚石成核率与生长速率的严格控制, 并成功合成出具有完整晶形的优质细颗粒金刚石单晶。

为了清晰和准确观察体系内的成核与生长情况, 我们对未经任何处理的棒料界面利用电子扫描电镜进行了观察。图2为合成的棒料表面电子扫描电镜照片, 从图中可以看出棒料中存在不同粒度的细颗粒金刚石单晶。图2a的晶体粒度约为10μm。图2b的晶体粒度大小约为6～7μm左右。而图2c与图2d中的晶体约为2μm左右, 合成的晶体均具有完整的晶形。

为了进一步观察棒料中的金刚石成核情况, 我们将未经酸处理的合成棒料利用机械方式粉碎, 直接利用电子扫描电镜进行观测, 结果如图3所示。从图中可以看到, 合成棒料中金刚石成核密度较高, 石墨具有较高的转化率, 由于样品粉末没有经过酸处理, 因此晶体之间通过金属膜彼此相连, 但合成的晶体的粒度具有较好的均一性, 大部分分布于2～10μm内, 大约在1600～2000目左右。

合成后的的棒料经过酸处理后, 得到的部分晶体利用高倍光学显微镜观察结果, 如图4所示。合成的晶体粒度较小, 而且比较均匀, 颜色较深, 这可能是因为尺寸效应而导致的结果。

3.2 合成细颗粒金刚石的性能分析

由于合成的金刚石粒度非常小, 酸处理后得到小于10μm的金刚石单晶样品较为困难。为了对其合成性能进行进一步分析, 我们选取其中目数约为100目、400目的金刚石单晶以及400目的金刚石破碎料进行对比 (表1) , 并对其进行热重及差热分析。

综合差热分析与热重分析的实验数据, 我们对3种样品的热物性总结如表2所示。由表中可以看出400目的破碎料起始氧化温度为640℃而400目合成金刚石及100目优质合成金刚石的起始氧化温度均为730℃;400目的破碎料在770℃时出现强氧化峰, 而400目合成金刚石及100目优质合成金刚石在测试范围最高温度800℃时仍未出现氧化最强峰。在680℃左右破碎料开始出现明显失重, 合成的400目金刚石单晶开始时有少量的失重 (失重率不超过1%) , 当温度升到760℃左右时才开始出现明显失重。100目优质合成金刚石也是在760℃左右出现明显失重。在测试温度800℃范围内破碎料失重19.15%, 400目合成金刚石失重5.45%, 100目优质合成金刚石失重5.58%。这些数据表明:合成的细粒度金刚石单晶热氧化温度高于金刚石破碎料, 其氧化温度基本上与100目优质合成金刚石相同。

人工合成的金刚石单晶及其破碎料由于经过高温高压作用及机械破碎作用, 势必存在残余应力。金刚石原料的计算公式为:Sh (GPa) =[ro-r (m-1) ]1.62, Sh是晶体内部的残余应力, r0是在没有应力下的金刚石波数 (取1332cm-1为基点) , r是被测的金刚石的波数。由此可以看出, 拉曼峰频率偏移的改变与所受应力成正比。因此可以通过拉曼峰的偏移来判断高压合成的金刚石样品中残余应力的大小。合成的细颗粒金刚石单晶与普通工艺下合成的金刚石以及金刚石破碎料的拉曼测试结果, 如图5所示。

从拉曼测试的结果可以看出, 在较慢速度下合成的金刚石单晶的拉曼峰值为1331.97cm-1, 与金刚石结构的标准峰值1332 cm-1仅仅偏移了0.03 cm-1, 说明合成的晶体内部存在较小的残余应力, 因此具备较高的质量。作为对比, 图 (b) 与 (c) 分别为较快速度下合成的金刚石晶体与目前工业上通用的金刚石微粉的拉曼峰值, 与标准峰值相比分别偏移了0.55 cm-1与0.74 cm-1。这说明金刚石微粉内部存在较大的残余应力。这是因为这些金刚石微粉大都利用质量较差的金刚石经过机械破碎得到, 因此在其破碎过程产生较多残余应力。

(a) 细颗粒金刚石 (b) 普通金刚石 (c) 金刚石破碎料

(a) diamond crystals with micron grain size, (b) diamond grown at normal growth velocity and (c) diamond micron grain powders.

4 结论

本实验以金刚石合成的溶剂理论为指导, 根据金刚石在不同合成区域的不同生长特性, 对细粒度金刚石单晶的合成工艺进行了改进, 有效地控制了金刚石的成核与生长, 成功合成出了2μm～10μm (约为1600～2000目) 的优质的细颗粒金刚石单晶。并通过热重及差热分析以及Raman测试发现, 合成具备完整晶面的细粒度金刚石单晶抗氧化强度大于表面粗糙的同粒度的金刚石微粉, 且合成的晶体内部存在较小的残余应力。

参考文献

[1]Zhang H M, Jia X P, Ma H A and Guo W.CHIN.PHYS.LETT.2008, 25 (2667) .

[2]Chiu M C, Hsieh W P, Ho W Y.Wang D Y and Shieu F S 2005Thin Solid Films 476 258.

[3]Jiang W, Yang B W, Lu W Y, Yao Y, Zhang S X and Kou ZL.2005 Diamond Abrasives Engin.4 50.

[4]Hong S M, Jiang J C, Gou L and Zhong Y M.2003 Mater.Sci.Lett.22 257.

[5]Sun C Q, Xie H and Zhang W.2000 J.Phys.D:Appl.Phys.33 2196.

[6]高峰, 贾晓鹏, 等.人工合成的400目细颗粒金刚石与破碎料的热稳定性比较[J].金刚石磨料磨具工程, 2008 (6) .

[7]贾晓鹏.金刚石合成的溶剂理论及当今行业热点问题的探讨[C].中国超硬材料研讨会南京会议论文集, 2001:1-11.

金刚藤颗粒 篇7

金刚石是集多种优异性能于一身的多功能超硬材料,广泛应用于工业、军工、医疗卫生等多个领域。自G.E.公司首次通过静态高温高压法,利用金属催化剂与石墨成功合成出金刚石以来[1],金刚石的工业化生产已有近半个世纪的历史。

我国是继美国、日本、南非、俄罗斯等国之后开展金刚石工业化生产的少数国家之一。自1963年我国首次合成出金刚石以来,经过几代科技工作者的共同努力,我国金刚石的生产技术水平已经有了突飞猛进的发展,并且总产量已占世界总产量的七成以上[2]。目前国内金刚石行业的总体表现为:金刚石产量高,但中、低品级产品占了相当大的比例。另外,衡量金刚石品级的重要指标热冲击强度(TTI)值较低。

中国和爱尔兰是世界上最大的两个金刚石出口国。爱尔兰出口的金刚石以粗颗粒为主,而且品质比较高[3]。虽然我国粗颗粒金刚石合成技术较以前有了很大的发展,但与国外相比,我国的生产技术仍然存在一定的距离,尤其是我国在国际粗颗粒金刚石产品市场上所占的比重比较低,这直接影响了我国金刚石行业在该领域的竞争力。所以,寻找一种高效率地合成优质粗颗粒金刚石的方法仍具有重要的现实意义和深远的历史意义。

在粗颗粒金刚石的发展方面,G.E.公司最先开展了粗颗粒金刚石合成方面的研究工作,他们采用在高压下对片式组装的不同部位进行有选择性地加热的方法,成功地合成出粗颗粒金刚石;James C.Sung等人采用“晶种法”把晶种排布在棒料当中,晶种外表面镀有触媒,用膜生长法合成出了粗颗粒金刚石[4] 。这两种方法虽然都能有效地合成出粗颗粒金刚石,且都有成功的报道,但在粉末触媒技术合成粗颗粒方面,国内外却鲜有相关的文献报道。本研究是在具有高精密化控制系统的国产SPD 6×1670T型大腔体六面顶压机上,采用先进的旁热式组装(间接加热技术)和粉末触媒技术进行了大量的粗颗粒金刚石单晶的合成实验,最后通过优化的合成工艺,改善腔体内压力和温度的分布,采用自行设计的铁基粉末触媒并优选其最佳粒度,在高温高压条件下(～5.4GPa,～1360℃)成功合成出尺寸达到1.0mm(18目)的粗颗粒金刚石单晶,并分析了粗颗粒金刚石晶体的形貌和表面特征。我们期望该研究能对我国粗颗粒金刚石的研究与生产有所帮助。

2 实验

本实验是在国产SPD6×1670T型大腔体六面顶压机上进行的。实验所用的石墨是高纯天然鳞片石墨,粒度为200目。触媒采用贾晓鹏教授自行设计的粒度为230～270目的铁基粉末触媒。铁基粉末触媒和鳞片状石墨粉按一定比例均匀混合后预压成合成棒料,预压后的合成棒料组装在叶蜡石复合块中。叶蜡石合成块在组装前经过焙烧处理。合成终压为～5.4GPa、温度为～1360℃,一定的合成时间t。卸压后,取出样品,样品经过酸处理和系列提纯后,进行了光学显微镜及SEM电镜观测和分析。

实验中的合成压力是根据用压力定标物质铋(Bi)、钡(Ba)和铊(Tl)的高压相变点所建立的油压与腔体内部的压力的定标曲线进行标定的,合成温度是根据Pt6%Rh-Pt30%Rh热电偶测定的输入功率与温度的对应关系曲线进行标定的。

3 结果与讨论

3.1 粗颗粒金刚石的生长区间

通过大量的实验对铁基粉末触媒长时间合成粗颗粒金刚石生长条件进行了探索,研究发现,在“V”形区内的某一区域才适合粗颗粒金刚石生长,图1是探索出的铁基粉末触媒生长粗颗粒金刚石的“V”形区示意图。

从图1可知,在“V”形区内适合粗颗粒金刚石的生长区域比较窄。这是因为控制腔体内晶体的成核量及晶体的生长速度是粉末合成优质粗颗粒金刚石的关键技术,成核量多会导致更多的晶体生长而抢占碳源,同时成核多会导致腔体内没有足够的空间满足晶体长大,结果是晶体难以长大以及产生连晶、聚晶等缺陷;晶体的生长速度则直接影响晶体的品质,生长快会使晶体内产生包裹体。根据金刚石生长的溶剂理论,金刚石生长的驱动力正比于δP/T,其中δP为过剩压,T为合成温度;同时过剩压δP大会导致腔体内的大量的成核[5]。因此生长粗颗粒金刚石对合成压力条件的要求非常苛刻。同时对于粉末合成粗颗粒金刚石来说,需要比较长的生长时间(如1小时),保持合成的温度和压力条件稳定,才能满足晶体的稳定生长。因此,优质粗颗粒金刚石生长的压力和温度区间相对于普通工业金刚石要窄,合成条件更为苛刻。

3.2 优质粗颗粒金刚石的合成

依据粗颗粒金刚石的生长特点,我们在合成条件的高精密化控制下以及在腔体的组装方面采取了一系列的改进。以溶剂理论为指导,通过大量的合成实验,优化了合成工艺,改善了腔体内部压力和温度分布,使其更利于长时间生长粗颗粒金刚石单晶。最终,我们在～5.4GPa,～1360℃高温高压条件下,成功合成出尺寸为1.0mm(18目)的优质粗颗粒金刚石单晶。

图2为合成的粗颗粒金刚石单晶的光学照片。

从图2可以看出,合成的晶体以{100}和{111}晶面为主,为典型的六-八面晶体。平均粒度达到1.0mm(18目),晶体颜色呈黄色,晶体透明,晶体内部的包裹体很少,表面具有晶体生长的特征纹理,晶形完整率较高,晶体的连晶现象较少。

3.3 粗颗粒金刚石的表面特征

图3所示为粗颗粒金刚石的扫描电镜照片。从图3可以看到:粗颗粒金刚石单晶有着独特的表面特征,相比于细颗粒金刚石,其晶体表面有着明显的生长特征纹理:生长纹理是晶体生长的一大特征,尤其是随着晶体的长大,我们在晶体表面可以看到明显的生长纹理。从扫描电镜的图上可以看到这种生长纹理很多是平行于某个晶面(100或111面)的,这可能是因为在晶体的生长过程中,不同晶面生长的速度不同,晶面生长快的最终消失,晶面生长慢的反而保留下来。同时随着晶体粒度变大,使得表面产生了更加明显的纹理,这种清晰的纹理记录下了晶体的生长痕迹。

4 结论

利用先进的旁热式组装和粉末触媒技术,以及优化的合成工艺和对腔体的组装进行一系列的改进,并采用优选粒度的铁基触媒、通过严格控制腔体内的成核量及晶体生长速度,在高温高压条件下(～5.4GPa,～1360℃),成功合成出尺寸为1.0mm(18目)的优质粗颗粒金刚石单晶。

摘要：粗颗粒工业金刚石的合成与普通工业金刚石相比,需要较长的生长时间,而且其合成条件相对于普通工业金刚石单晶更为苛刻。文章总结了在具有高精密化控制系统的国产SPD 6×1670T型六面顶压机上进行的优质粗颗粒金刚石单晶的合成研究。在粉末触媒合成金刚石工艺的基础上,提高了压力和温度控制系统的精密化程度,引入了旁热式组装,改良了合成工艺,通过精密地控制金刚石的成核量与生长速度,以及采用最佳粒度的触媒,在高温高压条件下(~5.4GPa,1360℃)成功合成出尺寸达到1.0mm的(18目)粗颗粒金刚石单晶,并分析了晶体的形貌和表面特征。

关键词：金刚石单晶,粗颗粒,高温高压合成

参考文献

[1]Bundy F.P.,Hall H.T.,Strong H.M.and Wentorf Jr.R.H.[J].Nature,1955,176:51.

[2]李志宏,赵博,宜云雷,等.波涛汹涌中高速发展的超硬材料行业[J].金刚石与磨料磨具工程增刊,2006(11):7-11.

[3]赵博,李志宏,宜云雷,丁会绵,等.2005年1~6月超硬材料行业经济运行情况简析[J].金刚石与磨料磨具工程,2006(2).

[4]James C.Sung,Michael Sung.Emily Sung Diamond growth onarray of seeds:The revolution of diamond production[J].ThinSolid Films,2006,498:212-219.