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第一章 金刚石1

引言1

1.1 原子的电子结构2

1.2 化学键的类型4

1.3 金刚石晶体结构5

1.3.1 杂化和价态5

1.3.2 金刚石晶体结构6

1.3.3 金刚石晶格的空间群7

1.3.4 金刚石晶格参数9

1.3.5 金刚石晶格面网密度9

1.3.6 金刚石单晶晶面夹角9

1.4 金刚石的性质10

1.4.1 金刚石物理性质10

1.4.2 金刚石化学性质13

1.4.3 金刚石晶体的形貌14

1.4.4 金刚石的分类15

1.4.5 金刚石晶体ESR测量18

1.4.6 金刚石颜色20

1.4.7 金刚石烧蚀试验24

1.5 关于硬度的讨论25

1.5.1 材料硬度的分类25

1.5.2 影响材料硬度的因素27

1.6 金刚石晶体的磁性质28

1.7 金刚石晶体内部杂质与表面的位错29

1.7.1 金刚石晶体内的纳米杂质30

1.7.2 莫尔条纹30

1.7.3 金刚石表面缺陷31

1.8 金刚石表面镀钛层的结构32

1.8.1 金刚石表面镀钛层的晶体结构32

1.8.2 金刚石表面镀钛层的织构现象33

小结33

第二章 石墨35

引言35

2.1 石墨35

2.1.1 天然石墨的分类35

2.1.2 天然石墨的提纯36

2.1.3 人造碳材料的石墨化过程37

2.2 石墨的晶体结构38

2.2.1 石墨晶体的六方结构39

2.2.2 石墨晶体的菱方结构40

2.3 石墨的性质40

2.3.1 密度40

2.3.2 电阻41

2.3.3 熔点、沸点41

2.3.4 吸热量42

2.3.5 热膨胀系数42

2.3.6 热导率42

2.4 石墨在金刚石生长过程中的功能43

2.4.1 石墨——组成金刚石的唯一原料43

2.4.2 石墨——腔内晶体生长驱动力的来源43

2.4.3 石墨——高压腔内的一种受压介质45

2.5 石墨化程度的讨论45

2.5.1 石墨化度46

2.5.2 石墨化度公式47

2.5.3 石墨化指数47

2.5.4 关于石墨化度公式的评价48

2.5.5 X射线衍射法测定多晶石墨中晶粒50

2.5.6 人造多晶石墨测量结果50

2.6 粉状石墨50

2.6.1 粉状石墨晶体结构X射线测量50

2.6.2 粉状石墨微晶颗粒尺寸51

2.6.3 粉状石墨中的杂质51

2.7 拉曼光谱测量石墨材料52

2.8 石墨颗粒表面活性试验54

小结55

第三章 催化剂合金56

引言56

3.1 生长金刚石催化剂合金简要回顾57

3.2 金属键与金属结构59

3.3 液态金属的结构特征60

3.4 液态金属的性质61

3.4.1 密度61

3.4.2 黏度62

3.4.3 扩散系数62

3.5 Mn、Fe、Co、Ni的物理化学性质64

3.5.1 Mn的性质64

3.5.2 Fe的性质64

3.5.3 Co的性质66

3.5.4 Ni的性质66

3.6 Fe-Ni、Fe-Mn合金相变特性66

3.7 Mn、Fe、Co、Ni的高压高温相图67

3.8 催化剂合金的晶体结构68

3.9 催化剂合金熔点测量69

3.10 Fe、Co、Ni及其合金的磁性70

3.10.1 Fe、Co、Ni单质的磁性70

3.10.2 Fe、Ni、Co合金磁性的特点73

3.10.3 Fe-Ni合金居里点随温度的变化74

3.10.4 Fe中Ni、Co成分的变化对合金磁矩的影响74

3.10.5 催化剂合金的磁性测量74

3.11 合金的电阻76

3.11.1 Fe-Ni合金电阻的变化76

3.11.2 Fe-C电阻率76

3.12 金属与碳77

3.12.1 金属加碳的熔化77

3.12.2 合金熔点与生长金刚石温度的关系78

3.13 Fe-C的结构79

3.13.1 奥氏体79

3.13.2 铁素体80

3.13.3 Fe3C的结构80

3.14 Fe基催化剂合金83

3.14.1 Ni基到Fe基合金83

3.14.2 Fe基合金做催化剂生长金刚石研究84

3.15 催化剂合金的配比原则86

3.16 Si对C活度的影响92

3.17 稀土元素对催化剂合金性能的影响93

3.18 M？ssbauer测量结果的讨论96

3.18.1 高温高压条件下的渗碳实验96

3.18.2 M？ssbauer测量96

3.18.3 M？ssbauer测量结果98

3.19 金属膜100

3.19.1 Fe-Ni合金做催化剂的金属膜形貌100

3.19.2 金属膜断面的形貌102

3.19.3 金属膜表面与断面成分分析103

3.19.4 金属膜表面与断面结构分析104

3.19.5 金属膜断面的Auger谱技术测量106

3.20 粉状催化剂合金107

3.20.1 粉状合金与片状合金107

3.20.2 粉状合金的制作108

3.20.3 雾化粉末合金的性能109

3.20.4 减少雾化粉末表面氧杂质的方法111

小结111

第四章 高压密封112

引言112

4.1 高压密封112

4.1.1 六面顶与两面顶的密封112

4.1.2 叶蜡石岩石114

4.1.3 叶蜡石岩石中的杂质116

4.1.4 高温高压下叶蜡石岩石黏弹黏塑性119

4.1.5 高温高压下叶蜡石岩石的应变120

4.1.6 叶蜡石岩石中的水123

4.2 叶蜡石晶体结构125

4.2.1 层状硅酸盐的晶体结构125

4.2.2 鲍林规则与硅铝酸盐的结构126

4.2.3 叶蜡石的晶体结构128

4.2.4 叶蜡石岩石的结构129

4.2.5 叶蜡石红外吸收光谱133

4.2.6 叶蜡石烘烤后晶体结构的变化134

4.3 高温高压叶蜡石的相变136

4.3.1 密封边的晶体结构136

4.3.2 高温高压后叶蜡石的结构139

4.3.3 高温高压后叶蜡石的Raman光谱141

4.3.4 高温高压后叶蜡石断面扫描电镜观测141

4.4 白云石岩石142

4.4.1 白云石岩石的结构143

4.4.2 白云石的热分析143

4.4.3 高温高压白云石成分的变化144

4.4.4 高温高压后白云石的结构144

4.4.5 高温高压前后白云石的Raman光谱145

4.5 六面顶压机压头的简单讨论146

4.5.1 压头尺寸的讨论146

4.5.2 压头脆性148

4.6 压头断裂声音的数字化149

4.6.1 声音149

4.6.2 压头断裂声音的采集149

4.6.3 压头断裂声音的频谱149

4.7 导电钢圈Mg2TiO4保温介质150

4.7.1 导电钢圈的设计150

4.7.2 关于水玻璃150

4.7.3 叶蜡石的烘烤151

4.7.4 关于Mg2TiO4152

小结154

第五章 石墨-金刚石转变156

引言156

5.1 温度、压力对石墨结构的影响158

5.2 相图160

5.2.1 碳的相图160

5.2.2 高压Ni-C相图160

5.2.3 高压Fe-C相图161

5.2.4 金刚石生长“V”形区161

5.2.5 Fe-（Ni）Co-C三元相图163

5.2.6 高温高压在位测量结果164

5.3 石墨-金刚石转变165

5.3.1 石墨-金刚石转变为一级相变165

5.3.2 石墨-金刚石相平衡线的热力学计算166

5.3.3 石墨-金刚石转变为重构型相变167

5.3.4 石墨-金刚石转变为非均匀相变168

5.3.5 石墨-金刚石转变为复相催化反应169

5.3.6 能带论与石墨-金刚石催化过程170

5.3.7 配位场与石墨-金刚石催化过程172

5.4 Fe3C？C（金刚石）＋3γ-Fe的热力学分析174

5.5 FeC化合物生长金刚石的实验175

小结177

第六章 芶氏金刚石转变机理简介178

引言178

6.1 芶氏金刚石转化机理179

6.1.1 石墨晶体的两种结构179

6.1.2 石墨到金刚石的直接转化179

6.1.3 有催化剂存在时石墨向金刚石的转变180

6.1.4 催化剂与石墨的优选原则180

6.2 石墨表面的金刚石膜对生长金刚石的影响182

小结183

第七章 石墨再结晶形态184

引言184

7.1 高温高压条件下石墨的再结晶现象185

7.1.1 多晶石墨的微结构185

7.1.2 未进入催化剂中石墨的结晶形态187

7.1.3 催化剂合金中碳的浓度梯度187

7.1.4 多晶石墨在催化剂合金内的结晶形态190

7.2 温度、压力对再结晶石墨形态的影响190

7.2.1 温度对再结晶石墨形态的影响190

7.2.2 压力对再结晶石墨形态的影响192

7.2.3 靠近金属膜的石墨形貌194

7.2.4 成核阶段压力、温度对再结晶石墨形态的影响194

7.3 石墨-合金界面196

7.3.1 石墨与合金相互渗透196

7.3.2 金刚石晶体的生长198

7.3.3 石墨形态变化的启示201

小结201

第八章 金刚石单晶生长技术202

引言202

8.1 金刚石生长速度讨论202

8.2 稳定的温度、压力场的获得206

8.2.1 热量的传递206

8.2.2 六面顶压机高压腔体内压力、温度分布209

8.2.3 均匀温度、压力场的获得210

8.3 工艺参数的选择212

8.3.1 提前加热的原因213

8.3.2 加热压力的选择213

8.3.3 暂停压力的选择214

8.3.4 暂停压力时间的确定214

8.3.5 电流与压力214

小结215

附录 提纯216

1 电解216

1.1 电解原理简介216

1.2 电解液参数对电解过程的影响217

1.3 摇床工作原理简介218

1.4 电解泥球磨工艺参数219

2 化学反应方程式221

2.1 泡稀硝酸的反应方程221

2.2 高氯酸氧化石墨法反应方程式221

2.3 硫酸-硝酸（或硝酸钠）反应方程式222

2.4 氧化法原理222

2.5 去除叶蜡石反应方程式222

2.6 氯气的治理反应方程式223

2.7 氮氧化物的治理反应方程式223

参考文献224

后记234