宝石级金刚石（共5篇）
宝石级金刚石 篇1
1972年2月14日发现于西非塞拉里昂科诺地区的河流冲积砂矿中, 重量为968.90ct, 晶形不完整, 呈鸡蛋状, 无色透明, 属优质宝石级金刚石。
1972年6月30日在伦敦DeBeers的中央统售机构, 曾对“塞拉里昂之星”金刚石进行估价, 其结论是不低于100万英磅。经过精心设计, “塞拉里昂之星”金刚石被切割、加工和琢磨成17块钻石, 分别被命名为Star of Sierra Leone-1～Star of Sierra Leone-17, 总重量为238.48ct。
按重量, 塞拉里昂之星仅次于“库利南”和“爱克赛西奥”金刚石, 是世界第三大宝石级金刚石, 按产状, “库利南”和“爱克赛西奥”金刚石产于金伯利岩型金刚石原生矿中, 而“塞拉里昂之星”金刚石则产于河流冲积砂矿中。是迄今从砂矿中发现的世界最大的宝石级金刚石。
1988年10月在纽约钻石市场, Star of Sierra Leone-2 钻石以352万美元的高价被一位大富豪买走。
宝石级金刚石 篇2
金刚石是一种有着多种极限性能的超硬材料,由于受金刚石尺寸的限制,目前金刚石产品主要应用于制造磨料磨具,而宝石级金刚石能更好的发挥金刚石的极限性能,有着更广阔的应用前景,可以做单晶拉丝模刀具,高档手术刀等。国外发达国家宝石级人造金刚石单晶的合成技术已经十分成熟,研究方向已经趋向于开发与应用[1,2],但由于金刚石的巨大商业价值,宝石级金刚石单晶的腔体设计以及与原材料等有关的技术情报一直是非公开的。近几年来吉林大学超硬材料国家重点实验室开展了有关宝石级金刚石的合成研究,并取得了一定的成果[3,4,5,6],各类金刚石大单晶的尺寸均有突破性进展。
目前,工业金刚石单晶的合成虽然取得了较大的进展,但能合成出的晶体尺寸始终有限,而且这种生长方式获得的单晶生长速度很难控制,所以晶体缺陷较多,品质远不及高温高压下温度梯度法合成的宝石级金刚石。低压气相沉积的方法虽然也可以合成宝石级金刚石,但仍需要以高温高压下合成的金刚石单晶作衬底,而且合成周期较长效率较低。因此高温高压下温度梯度法是目前获取宝石级金刚石最为直接有效的手段,而在单个腔体内合成单颗大单晶的效率较低,因此本实验是在高温高压条件下进行的多晶种法合成宝石级金刚石的研究。
2 实验过程
实验在国产六面顶SPD6×1200型液压机上进行,设备如图1所示,实验采用高纯人造石墨作碳源,NiMnCo合金作触媒,合成压力约为5.5GPa,实验组装如图2所示。
实验采用籽晶的(100)晶面作为外延生长面,籽晶大小为0.5mm,单次使用5～7个晶种实现多颗粒大单晶的合成。
3 分析与讨论
2.1 温度梯度法
如图2所示,碳源处在腔体中间的高温处,晶种放在低温处,二者间放置触媒溶剂。 温度梯度法是在金刚石稳定区内,将石墨转化为金刚石,在一定温度梯度驱动下,金刚石将由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散,扩散到低温端有晶种的位置处时,金刚石开始结晶析出,在一维近似条件下,晶体的生长速度和温度梯度成正比[7],即
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式中v为晶体生长速度,w为晶体重量,t为生长时间,dT/dz表示轴向温度梯度。实验可以通过调整组装来获得不同的温度梯度,进而控制晶体生长速度。
2.2 宝石级单晶生长区间
高温高压下宝石级金刚石生长区间如图3所示[8],图中阴影部分为(100)面作籽晶生长优质晶体的区间,并非在金刚石稳定区域内都可以生长优质晶体,V型区内只有很窄的区间,适合生长优质晶体,因此对设备的控温精度有很高的要求,采用多晶种方式进行合成时,由于腔体较大,因此径向不可避免的存在着温度梯度,为了保证每个晶种都能正常结晶生长,而且晶体之间的形貌差异很小,必须控制的径向温度梯度很小,而且在一定的生长速度下,每个晶体位置的温度都处在图中阴影区,这样才可以保证所有晶体能在同一腔体内同时结晶生长。
2.3 多晶种法生长速度的研究
采用多晶种法合成宝石级金刚石单晶时,生长速度的控制直接决定着晶体品质[9],通常在生长初期单晶的平均增重速度不能超过0.5mg/h,晶体的生长速度越快,生长优质晶体的区间越窄,生长速度越慢,生长优质晶体的区间越宽,但是为了提高合成效率,晶体生长的速度越快越好,本实验通过控制晶体径向平铺速度与纵向的堆叠速度的关系,使得晶体径向生长速度尽可能大于纵向生长速度,可以明显抑制包裹体的形成,能够大幅度提高优质晶体的生长速度。如图4所示,在8h内优质晶体的平均生长速度可以达到1.2mg/h,晶体尺寸为2mm左右。在相同的温度梯度下,12小时内优质晶体平均的生长速度可达1.88mg/h,合成晶体如图5所示,晶体尺寸为3mm左右。
3 结论
通过对温度的控制,选择晶体适合的生长区间,在高温高压下以多晶种的方式实现了2～3mm级Ⅰb型宝石级金刚石大单晶的多颗粒合成,单晶最快生长速度可达1.88mg/h。
参考文献
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[3]WANG Xiang-Cheng,MA Hong-an,ZANG Chuan-Yi,TIANYu,LI Shang-Sheng,JIA Xiao-Peng.Growth of Large High-Quality Type-a diamond crystals[J].Chinese Physics Let-ters,2005,22(7):1800-1802.
[4]TIAN Yu,MA Hong-An,LI Shang-Sheng,XIAO Hong-Yu,ZHANG Ya-Fei,HUANG Guo-Feng,MA Li-Qiu,JIA Xiao-Peng.Dependence of Limited Growth Rate of High-Quality GemDiamond on Growth Conditions[J].Chinese Physics Letters,2007,24(7):2115.
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[6]Zhang Ya fei,Zang Chuan yi,Ma Hong an,Liang Zhong zhu,Zhou Lin,Li Shang sheng,Jia Xiao peng.HPHT synthesis oflarge single crystal diamond doped with high nitrogen concentra-tion[J].Diamond&Related Materials,2008(17):209.
[7]臧传义,贾晓鹏,任国仲,望贤成.快速生长优质宝石级金刚石大单晶[J].金刚石与磨料磨具工程,2003(6):13.
[8]H.Sumiya,N.Toda,S.Satoh.Growth rate of high-quality largediamond crystals[J].Joural of Crystal Growth,237-239(2002):1281-1285.
宝石级金刚石 篇3
根据氮含量的多少通常可将金刚石分为两大类:Ⅰ型的含氮金刚石和Ⅱ型的不含氮金刚石。Ⅰ型金刚石根据氮存在方式的不同又分为Ⅰa型(聚集态)和Ⅰb型(弥散态);Ⅱ型金刚石又分为无掺杂的Ⅱa型和掺硼的Ⅱb型金刚石[1,2,3]。天然金刚石中98%为Ⅰa型金刚石,Ⅱ型金刚石在其中只占很小比例,而天然Ⅱb型金刚石储量更少,在Ⅱ型中约占千分之一。
Ⅱb型金刚石具有禁带宽、迁移率高、热导率大和耐腐蚀等特点,并且金刚石中的B原子成为受主杂质,产生浅能级。因此Ⅱb型金刚石是一种很有发展前途的耐高温、大功率的半导体材料,它特别适合于制造高性能的电力电子器件,可以在更高的温度和恶劣的环境下正常工作。因此Ⅱb型金刚石的人工合成具有重要的意义[4,5,6,7,8,9]。
掺硼金刚石是P型半导体,由于B的原子半径较小,易于进入金刚石,因此含硼金刚石的研究取得了较大进展[6]。目前国内外大多数学者都侧重研究利用化学气相沉积法获得含硼金刚石薄膜,而对高温高压合成的颗粒状含硼金刚石研究则较少,因此在工业中被做成半导体元器件得到推广应用的只有金刚石薄膜;掺硼金刚石单晶因为颗粒小,不适宜加工,所以半导体性能的开发受到限制[6,7,8]。因此作为大尺寸Ⅱb型宝石级金刚石的研究就显得尤为重要。由于Ⅱb型宝石级金刚石具有半导体特性,国外在合成宝石级金刚石的同时也进行了相关研究并取得了一些进展[2,4,5,9]。国内还没有开展这方面的研究。本实验是在Ⅱa型宝石级金刚石大单晶研究的基础上[10,11,12,13],首先利用温度梯度法在腔体内添加除氮剂的同时添加单质硼,成功合成出尺寸达4mm的蓝色优质Ⅱb型宝石级金刚石大单晶。
2 实验
金刚石合成实验在SDP6×1200型国产六面顶压机上进行。实验组装腔体示意图如图1。高温高压合成条件:温度约1300℃、压力约5.5GPa。晶种为优质六八面体单晶,生长面(111)。以高纯石墨为碳源,在腔体内加入一定含量的除氮剂及不同含量的单质硼来进行合成实验。合成的Ⅱb型金刚石样品经浓硫酸和硝酸混合处理后得到。
3 分析讨论
3.1 晶体形貌
在生长无色Ⅱa型金刚石中添加除氮剂的同时添加B,所合成蓝黑色Ⅱb型金刚石的形貌发生了较大的变化。如图2(a)、(b)(晶体照片上部的标尺为每格0.5mm,下同)所示,图2(a)所示的Ⅱa型金刚石晶面较复杂,在(111)和(100)两个主要晶面间有较复杂的过渡晶面(110)、(311)等,而图2(b)所示的Ⅱb型金刚石除掺硼量较少的以外,大多晶面简单,类似Ⅱa型金刚石的过渡晶面则较少见。这可能是由于B的添加改变了晶体的生长习性,使得这些高指数晶面生长速度较快而不易显露。
从图2的金刚石光学照片中还发现Ⅱb型金刚石(111)的表面较Ⅱa型金刚石(111)的表面粗糙,这种现象与膜生长法所合成的掺硼金刚石的现象类似。文献[14]用自己提出的“秃点模型”解释了该现象,即掺硼所合成的金刚石由于硼的进入,在(111)面上产生“秃点”而扰乱了金刚石的正常生长,从而使所合成的金刚石在该面产生缺陷而变得粗糙。
3.2 晶体颜色
实验发现随着硼添加量的增加,所合成Ⅱb型金刚石的颜色由浅变深,即由蓝色变为蓝黑色;与此同时晶体由透明变为不透明。图3和图4均为硼添加量为a%和5a%时所合成的Ⅱb型宝石级金刚石晶体光学照片(图3(a)和图4(a)、图3(b)和图4(b)分别为同一晶体照片)。图3仅用反射光;图4仅用透射光。
3.3 优质Ⅱb型金刚石大单晶的合成
通过选择不同的掺硼量,实验在国产六面顶高压设备上分别用8h、12h、40h、50h成功生长出尺寸1.5到4 mm不等的Ⅱb型宝石级金刚石大单晶如图2(b)所示。
图2(b)中左上角所示优质Ⅱb型金刚石大单晶为50h所合成,其尺寸4.0×3.9×2.4mm,重67.6mg,晶体生长速度为1.38mg/h。
4 结论
宝石级金刚石 篇4
日内瓦——— (美国商业资讯) ———在日内瓦汽车展 (Geneva Motor Show) 上, Jean Boulle Luxury Group (简称“集团”) 宣布推出其正在申请专利的专有金刚石合成物 (简称“产品”) , 该合成物可用于车辆的豪华涂层。该集团已确认交付第一辆使用其天然宝石级金刚石涂层的车辆, 价格高达数百万美元。
该产品能够让高端生产商为豪华汽车、飞机和游艇提供宝石级天然金刚石涂层。这一涂层将大幅改变豪华车辆的视觉外观, 同时保留其所有功能。
随着奢华车辆制造商将继续迎合全球客户日益挑剔的需求, 2016年日内瓦汽车展上全球顶级奢华汽车制造商对这一产品的反应十分热烈。集团已通过奢华应用领域的多家获认可制造商的合作伙伴, 成功证实了该产品的使用潜力。 (搜狐网)
宝石级金刚石 篇5
蓝宝石的组成为氧化铝 (Al2O3) , 是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成, 其晶体为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane, C-Plane及R-Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽, 从近紫外光 (190nm) 到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上, 具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高 (2045℃) 等特点, 它是一种相当难加工的材料, 因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶 (GaN) 的材料品质, 而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关, 蓝宝石 (单晶Al2O3 ) C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小, 同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求, 这使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。
蓝宝石基片的原材料是晶棒, 晶棒由蓝宝石晶体加工而成。其相关制造流程有:定向-掏棒-切片-研磨-倒角-抛光-清洗-品鉴, 其中切割工序位于整个流程的最前端, 切割加工的好坏将直接影响后续加工。LED蓝宝石硬度高, 切片厚度要求在330um～430um, 切割难度较大。目前切割蓝宝石晶片主要使用金刚石多线锯, 线锯直径在0.25～0.35mm, 而开方、截断、晶棒两头主要使用带锯加工。金刚石线在国内已经较成熟, 而且价格比国外进口的便宜, 但多线锯切割的主要技术还是由国外少数厂家控制[1]。
切割蓝宝石多使用金刚石多线锯, 切割加工的运动是往复的。由于线锯需要换向, 所以线锯速度低且经常变化, 这带来两个问题:一是线速度低, 限制加工效率;二是材料加工表面存在线锯换向时的痕迹, 影响表面质量[2,3]。使用往复式金刚石线 (0.3mm) 切割2英寸蓝宝石晶棒需要耗时3～4个小时。而环形金刚石线切割时锯丝单方向运动, 线速度较高 (20m/s) , 30分钟即可完成2英寸蓝宝石晶棒的切断。本文对环形金刚石线锯切割蓝宝石晶体进行了研究, 分析了切割工艺对蓝宝石切片表面粗糙度及晶片总厚度偏差及表面形貌的影响。实验表明:环形金刚石线锯克服了多线锯切割的缺点, 在切割线速度20m/s、进给速度0.5㎜/min及张紧砝码质量5kg时切割效果最好。
2 试验
切割实验在自制的环形金刚石线切割机上进行, 设备示意如图1所示。
切割时环形金刚石线锯采用重锤法调节张力, 可以根据进给量的大小, 自动调整线锯的受力, 不至于使锯丝局部受力过大断开。切割采用自来水冷却及切屑的清除。由于切缝不到1毫米, 水流量较小时, 清屑不彻底会引起切割表面的不平整, 有明显切痕, 故切割时应保持水量在100ml/min以上。
晶片表面粗糙度Ra值使用时代公司TR200手持式粗糙度仪测量, 测量值为5个测量值的平均值。
3 结果分析
3.1 切割工艺参数对晶片粗糙度的影响
影响晶片表面粗糙度的切割工艺参数有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G等因素。因此为了提高晶片表面质量, 提高锯切效率有必要对锯切工艺参数优化, 为此, 设计了一组正交试验。基于提高晶片表面质量和锯切效率的影响因素有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G, 因此, 每个因素取三个位级, 因素位级见表2。锯切工艺参数优化正交试验计划及试验结果见表2、表3。
正交实验结果表明:金刚石线运行速度, 进给速度, 张紧配重对切割表面质量都有不同程度的影响。由试验结果可以看出, 环形金刚石线锯切割蓝宝石表面粗糙度均在1微米以下, 试验4号线速度20 m/s, 进给0.5mm/min, 张紧砝码重50N时切割表面质量最好, 为0.473μm。切割线速度是切割工艺中一个重要的参数, 特别是对于金刚石工具而言。金刚石工具在高速运行的情况下, 单位面积去除率极高, 更能体现其优越性能, 试验7、8、9号均获得了较好的晶片表面质量。但是在实际的加工过程中发现, 切割硬度较高材料时, 速度过高会加速金刚石的磨损, 随着时间的推移, 切割每片的时间在延长, 切割线会更弯曲, 切割力变大, 最终导致环形金刚石线受力过大而断开。实验表明, 在线速度20m/s时较好, 既可以保持平稳进刀, 也可以保持金刚石的持久锋利。试验3、6、9号粗糙度值较大, 原因是3组实验线锯进给速度较快, 而进给速度是影响切割表面质量的主要因素, 进给速度适当时切割表面平整, 随着进给速度的增加, 单颗粒去除率增加, 切割力随之增加, 表现在切割表面上就成为线痕, 另外切割片整个表面也表现出不平整、弯曲现象, 甚至会产生一边厚一边薄的现象。由表3可知, 从极差角度, 张紧力对粗糙度的影响较小, 在不影响锯丝振动和锯丝受力在屈服强度以下应当尽量增加砝码重量, 根据线锯基体的抗拉强度计算, 配重在50N时为宜。
3.3 晶片表面形貌分析
扫描电子显微镜是视觉描述加工表面粗糙度的一个非常好的方法。
图3-图4为晶片表面的扫描电镜 (SEM) 照片, 更直观地展现了晶片表面粗糙度的变化。照片显示不同工艺切割的晶片表面, 沿着切割丝运动的方向均存在划痕和凹坑。可以看出:4号试验切割的晶片表面划痕相对较少, 划痕的宽度较窄。
图3a、图4a也充分证明了在较大进给工艺下单颗金刚石压入深度增加, 材料去除率和切割力的增加, 晶片表面脆性断裂加剧, 凹坑、线痕加宽、加深, 最终表现出粗糙度的增加。主要是因为材料在脆性模式下去除, 切屑的形成是裂纹扩展交叉的结果, 最终以微观与宏观破碎的块状去除。个别凹坑看起来较严重, 整个区域看起来破碎不堪, 看起来好像是崩掉的, 其实可能是由于在切割过程中脱落金刚石磨粒被挤压嵌入加工表面所造成的, 这对材料表面质量的损害更严重。
3.2 锯丝失效机理
从整个加工过程来看, 最终是环形金刚石线的断开使切割无法进行。对环形金刚石线进行扫描电镜观察后发现, 锯丝的断开可以用金刚石的磨损和脱落来解释。环形金刚石线锯丝表面的金刚石脱落的相对较少, 镍层的磨损, 开裂现象不明显, 金刚石颗粒的磨损情况比较严重。由图5、图6可知, 金刚石长期的切割作业, 由原来的尖角锋利刃变成了圆球形, 有的已被磨平, 这样就丧失了切割的能力。当大部分金刚石丧失切割能力后, 恒位移仍进给仍在继续, 切割力急剧增加, 金刚石颗粒就会从钢丝基体上脱落下来。随着时间的推移, 钢丝上的金刚石脱落殆尽, 超过锯丝的承受能力时, 锯丝就会断裂。
4 结语
通过使用环形金刚石线锯切割蓝宝石试验, 分析了切割蓝宝石切割工艺对蓝宝石晶片表面粗糙度的影响。
使用环形金刚石线锯具有切割效率高, 切割效果好的优势, 切割片厚度最薄在0.2毫米, 切割表面粗糙度在1微米以下, 约半小时时间即可切断直径53毫米的晶棒;
切割线速度25米/秒或者更高, 进给速度1.5毫米/分或更高, 实验表明:在线速度20米/秒, 进给速度0.5毫米/秒时, 切割效果最好;
增大张紧力, 有助于减少锯丝的振动, 也可提高晶片表面的质量;
锯丝的失效原因为金刚石磨损, 导致切割力增大使切割力大于钢丝基体的承受力而断开尽而失效的。
摘要：使用环形金刚石线直径为0.70毫米, 长4米, 切割直径53毫米的蓝宝石晶体, 30分钟即可完成切割。论文研究切割线速度, 进给速度等对蓝宝石切割面粗糙度的影响。通过试验找到环形金刚石线切割蓝宝石片的最佳工艺参数并对其切割机理进行了探讨。
关键词：蓝宝石,环形金刚石线锯,切割机理
参考文献
[1]张波, 刘文涛, 胡晓冬, 李伟.线锯切割技术的应用与发展[J].超硬材料工程, 2008, 20 (1) :45-48.
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