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　　大连凯峰超硬材料公司
　　张 凯 张路青
　　

　　一、背景
　　“爆炸多晶金刚石”的研究首先是从“爆炸加工”角度出发来进行研究的。1961年B.J.ALDER首先发现石墨通过高速冲击相变为金刚石的机理。1971年美国杜邦公司的Anthony S .Balchan等三人提出爆炸金刚石的第一个专利：“Method of Explosively Shocking Solid Materials” ,随后前苏联、日本也相继开展爆炸金刚石的研究，我国在1975年前后短期内一些研究所及企业也开展研究，但在1978年后又几乎全部下马，销声匿迹。1994年中科院力学所的邵丙璜教授重拾爆炸多晶金刚石的研究，并在门头沟代表力学所成立我国第一个“爆炸多晶金刚石”生产厂，可到1997年这个厂又息停倒闭。现在国内包括我们大连凯峰公司在内，大约有3-4家公司能生产此种产品，就其金刚石的结构特性与产出率而言，水平各不一样。但求其中的深层次理论与工艺技术需要研究者去重新认识与开发。
　　二)大连凯峰超硬材料公司的爆炸纳米多晶(聚晶)金刚石的结构特性
　　1)X衍射曲綫与Raman光谱曲綫

　　图1中峰值曲线非常清楚的显示了2θ =43.92˚，75.5˚，91.24˚时的3个峰值，金刚石是典型的立方晶体特性，曲线光滑，说明金刚石纯度很高，没有什么杂质存在，在2θ =26.5˚附近曲线出现小慢鼓包，说明聚晶(多晶)金刚内颗粒内部尚有极微量非晶形的炭存在。
　　图2是由大连理工大学物理系近场光学与纳米技术研究所做出的Raman散射光谱曲线。测试曲线显示，在1321cm-1处是一宽化的Raman峰，是sp3结构的金刚石特征，宽化峰就是纳米尺度和聚晶的特征。从1570-1cm到1620cm-1附近是极为平缓的波谱带，它对应在金刚石中尚存在极微量的非晶形的炭，也就是存在在小晶粒中间(透射电镜下的小晶粒)空隙中的极微量的非晶形炭，由于金刚石的Raman散射截面为石墨(炭)的1/60，所以只要有极极微量的非晶形炭存在，在曲线上也有显示。
　　2)低倍的扫描电镜(SEM)照片

　　左右图皆放大5000倍的SEM照片，颗粒虽有点大小不匀，但颗粒的轮廓是显明的，这种颗粒度就是激光粒度仪测出的粒度，就是10万倍电镜下或在原子力显微镜下(AFM)看到的大“葡萄串”的外形。称为“聚合聚晶颗粒”，也就是商业上称的商业粒度。
　　3)原子力显微镜(AFM)照片

　　AFM的放大倍数约为10万倍左右，从标尺中看出图中的颗粒大小约为50nm，原子力显微镜的探针粗细约有30nm，其测出的颗粒大小偏大。这种颗粒称为“一次聚晶颗粒”，是金刚石成核时就形成了，是标志金刚石特性的“特性颗粒度”，与粉末的压力与温度密切相关，不同专家做出的粒度都不一样。在此颗粒内部尚有许多更小的晶核以不饱和键集聚而成，真正多晶(聚晶)的概念就在于此。

　4、高倍放大的SEM照片

5、透射电镜(TEM)照片

　　左图可看出在TEM下一个0.5µm左右的聚合聚晶颗粒，而右图放大倍数已是百万倍，在图中已清晰地看到在“一次聚晶颗粒”内部的晶粒大小，“一次聚晶颗粒”内的晶粒已不能用现代物理化学方法将其再分离开来。顺便指出，右图中立体感很强，仔细观察，可看清“一次聚晶颗粒”的轮廓。但爆轰金刚石(它以TNT炸药为原料爆轰后得到的)的TEM照片绝对没有这种立体感，∴爆轰金刚石不是多晶金刚石，而是单晶，爆轰金刚石与我们的爆炸多晶金刚石无任何相同之处。
　　这样纳米聚晶金刚石各向同性，无解理面，自锐性好，在研磨过程中，小晶粒会因不断磨削逐渐磨损而剥落，又露出新的小晶粒参加新的磨削。又因晶粒近似球形，切削力小，不会划伤工件表面，用它加工硅原片时损伤层浅，是一种国际上目前稀缺的高品质磨料。
　　我们生产的爆炸纳米多晶金刚石其“特性粒度”为50nm，这是目前国际上的极稀缺，极贵重新产品，在2008年初时，在美国1克拉绝不少于10美元；由于我公司中试结束不久，刚步入市场，不想将价格超越目前市场上有的“爆炸多晶金刚石”的一般价格。
　　三、抛光试验

三、爆炸多晶金刚石的窗口

　　这个窗口实际上是从金刚石与石墨相图上取下来的，在压力与温度窗口中都有实现金刚石转化的机率，但这个窗口只代表冲击压力达到最高值时的状况，并不代表卸载到常压时由于卸载温度过高而导致金刚石向石墨逆变的状况，所以从本质上说，产生金刚石的窗口应该是三维的，还应加上卸载温度。
　　但就从冲击到最高压力状态的金刚石窗口而言，此窗口是很宽的，压力从15GPa到100GPa，温度从1000到2500K都有金刚石转化的机率，但冲击波合成机理告诉我们，当冲击波通过粉末时，产生的压力与温度并不是独立的，是相互依赖的，特别是压力由很多因素决定：在采用圆管收缩爆炸时，这些因素有外管的飞行距离和速度；内、外管的壁厚；装粉的技巧；如何避免中心马赫波的产生；所装粉末的成份，密度；收缩爆炸时沿内管半径方向压力的增长规律等。在采用平面飞片打击时，从选择炸药爆速；飞片直径，厚度；架高；飞片速度的实测与计算；粉末密度; 粉盒尺寸；药柱与粉盒如何配置; 多向粉末流中冲击波压力的估算；问题非常复杂，所以在此领域工作的许多研究学者做出的最后结果都不一样，不仅所获转化率各人都不一样，做出的爆炸多晶金刚石的特性粒度也不一样。我本人做了整整15年的不停顿的实验研究，其中有13年每公斤炸药的金刚石产出率没有超过5克拉，多数甚至接近于零。当然现在已获丰收。
　　日本住友公司在其网上资料公开宣示，他们的爆炸多晶金刚石产生的压力：40万atm，温度3000K；我经仔细核算，用平面飞片打击是做不出在40万atm下达到3000K温度的，他们采用的是飞管收缩爆炸，而且40万atm的压力也不是击波刚进入内管时压力，而是内管半径某处代表的平均压力。这说明世界上的各个学派，不同公司是各有千秋，各领风骚的。其结果也必然不一样的。
　　五、生产工艺中的特点
　　爆炸多晶金刚石的生产工艺分为截然不同的二个部分：爆炸与后处理。且这两个部分属于不同领域，不同理论与不同方法。前者是爆炸力学领域，特别是爆炸加工领域，爆炸加工理论中许多精辟而深奥的理论思想在爆炸多晶金刚石理论中都显露无遗，得到新的发展。而后处理恰百分之百地是个化学问题，如何制备悬浮液的问题中，还是界面化学的问题，要做好它，非常不容易。
　　“爆炸纳米多晶金刚石”的全部生产工艺遵循以下程序：
　　爆炸装置准备—→爆炸—→回收—→杂质分离—→去金属技术—→去石墨技术—→去含硅化合物杂质技术—→分级技术—→烘干—→制成悬浮液
　　每一个循环从爆炸前准备工作开始到最后分级完成大约25天左右，当然可流水性连续作业，将人员分工，爆炸的专门爆炸，处理的专门处理，分级的专门分级。
　　六、大连凯峰超硬材料公司的技术成熟度
　　在爆炸准备工作中，公司设备齐全，三个人(6小时)制作的爆炸装置，爆炸后可产出金刚石30000克拉，没有出现过因技术不到位的任何问题; 爆炸地点在大连瓦房店炮台，爆炸条件优越，每天爆炸加工时间6小时，三个操作人员每天产金刚石18000克拉，按此推算，年产300万克拉只要164天，冬天室外水冻，不宜爆炸，适合爆炸时间是4-11月，共8个月，可持续爆160天，若配6个人操作，每年可产出金刚石580-700万克拉。6个人在5个月冬季裡作爆炸前准备工作和后处理工作。若以年产500万克拉，全部工作人员20人，是属于非劳动密集型企业，所有的操作是手工操作基础上的单个机械化流水生产，要有1000m2的操作面积。
　　后处理工作中都涉及到用酸问题，排水与反应时排放气体的环保问题自然引起关注，排水可用碱中和办法，方法也非常简易，用在市场上可便宜买到的通用弱碱就可以将反应后产生的盐类沉淀，将中水排放；至于某种反应时产生气体虽然数量不算密集和大量，但亦为环保部门所不许，所以必须采取措施解决，方法亦简易，可采用自行设计的活性炭吸收办法解决。
　　七、爆炸多晶微粉企业应是一个有下㳺产品的企业
　　企业在初创阶段，当然只生产微粉，但必须发展由微粉制作的下游新产品。例如用2-3 微粉制作的精密抛光的钻石碟，不沾瓶底的悬浮液等。