我校與中南傑特合作在合成大尺寸納米多晶鉆石方面實現突破

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金剛石以其優異的性能在現代制造業中發揮著重要的作用,被廣泛應用於航天軍工、電子機械、精密制造、石油開采、高速鐵路、地質勘探、礦物采掘等關系國計民生的各個領域。目前,生產上采用觸媒法合成金剛石,生產工藝繁瑣且污染環境,要合成大尺寸單晶需要的周期長。無觸媒直接轉化合成大尺寸納米多晶鉆石的周期短,納米多晶鉆石可以克服單晶金剛石的各向異性而具有更高的斷裂韌性,且硬度高於單晶金剛石,被稱為新一代超硬材料。

日前,我校材料科學與工程學院王海闊博士與鄭州中南傑特超硬材料有限公司張奎研發團隊合作,采用微米晶石墨與非晶碳為初始材料,在超高壓高溫條件下實現瞭無觸媒參與下不同碳源 100% 轉化為大尺度納米多晶鉆石,通過研究直接轉化法合成多晶鉆石的晶體生長規律,實現瞭多晶鉆石晶粒尺寸的可控,合成瞭晶粒尺寸 15 nm 到 30 um 的多晶鉆石;通過對碳源進行摻雜,合成得到瞭黃色透明、白色、綠色、黑色四種顏色的多晶鉆石,實現瞭多晶鉆石的顏色可控。

經檢測合成得到的納米多晶鉆石的硬度為 130 GPa,高於單晶金剛石(80-120 GPa);耐磨性為單晶金剛石的約 2.4 倍,是現在市場上最好的聚晶金剛石的 25 倍;空氣條件下耐熱性比微米級金剛石高出 370 ℃。由院士、傑青、中原學者等組成的鑒定委員會一致認為:該項目探索瞭在超高壓高溫條件下,采用直接轉化法合成大尺度多晶金剛石的機理和技術途徑,研制成功瞭合成所需要的高溫高壓成套設備,開發瞭大尺度多晶金剛石的合成工藝技術,獲得瞭高質量、大尺度的金剛石樣品,樣品表面光潔、無裂紋、維氏硬度大於 130 GPa。該項目填補瞭國內空白,總體技術達到國際先進水平,在晶粒度和色澤調控方面達到國際領先水平。鑒定委員會建議加快該項目成果的產業化步伐,盡快實現商業化推廣應用。

直接轉化法合成大尺度多晶金剛石的成功,使我國成為繼日本之後能夠采用“直接轉化法合成大尺度多晶金剛石”的國傢,極大提升瞭河南省超硬材料行業國內外的競爭力,對我國超硬材料行業發展具有重要裡程碑意義。(材料科學與工程學院 朱賀)




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