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摘要：文中叙述的“爆炸多晶金刚石”是特指冲击波通过石墨粉体使之相变的多晶金刚石。文中展示出这种晶体结构的形态和特异点。叙述了两种“击波聚晶”的爆炸装置：圆管收缩爆炸装置和平面打击爆炸装置。指出计算压力和温度力学模型的重要性，计算压力的“均相分布”理论不被实验所证实。粉体中的金属粉既起打击板的作用，又起降低卸载温度的冷却作用。提出作者的对提高飞片打击速度有实效的有关专利。作者发现在常压下爆炸时的飞片下气体受绝热压缩后的聚能效应。

关键词：飞片打击；击波聚晶；多晶金刚石；

Abstract: “The explosive polycrystalline diamond”narrated in this paper is to refer in particular to the polycrystalline diamond which is phase-transformed from graphite under the action of strong shock wave through graphite powder setup. Showing its morphological characteristics and distinguishing feature. Recounting the two explosive unit for making polycrys talline by shock wave: the explosive shrinkage unit of cylindrical tube and the explosive unit of planar shocking. Pointing out the importance of model to calculate pressure and temperature. The “theory of homogeneous phase distribution”for calculating pressure is not verified by experiments. The metal powder  in powder setup is taken both effect of striker to highten the stress and cooler for to reduce the temperature after stress discharge. Advancing the effective patent of author concerned to raise the velocity of flying plate. Author has discovered the accumulating effect of air subjected adiabatic compression which is under the flying plate at atmospherical pressure.

Keywords：Shocking of flying plate; polycrystalline by shock wave; polycrystalline diamond;

       炸药爆炸推动飞片高速飞行，打击石墨粉体，在粉体内产生强冲击波，一般飞片在2800-3700m/s之间时，能产生4×104～7.5×104MPa的压力，击波通过时，粉体颗粒会产生强烈流动、压缩，磨擦，使粉末从原始比容比值V00/V0>1变小到V/V0<1，同时产生高温，当P>5×104MPa时，温度T≥2100K，此时石墨结构中的原子会自动从石墨势阱进入金刚石势阱，发生相变。从热力学理论来说，相变过程是自动进行的不可逆过程，设G—吉布斯自由能，在等温等压下，唯有使系统自由能G减少的过程才能自动进行的不可逆过程，在等温下，自由能表达式是：

                                    ( 1 )

石墨与金刚石的冲击绝热曲线皆可用马纳汉方程式形式表示

                                       ( 2 )

 

显然，(1)式有

                    ( 3 )

       石墨的n=1.22, A=5.27×104 MPa, V0=0.45455cm³/g, 金刚石的n=2.5, A=21.7×104 MPa,  V0=0.2857cm³。按(3)式，当处于(p1,T0)状态下,由1克石墨变为1克金刚石所降低的吉布斯自由能是    

 ( 3 )

 

 

若pmax = p1 = 7.59236×104MPa，T0 = 2120.3k，p0 = 6.913×104MPa，代入计算得

 

这证明吉布斯自由能确实是下降的，∴一定是自动进行的不可逆过程。

       击波产生的相变时间极短，不到0.1µs时间就完成了，几乎是瞬态的。在一定的击波压力和温度下，系统中产生的金刚石晶核有一个临界半径rk存在，即在时，系统自由能有极值，在r < rk时，自由能增加，相变过程终止；r > rk时，自由能减少，晶核长大。∵自由能变化由二部分组成，一部分是石墨转变为金刚石时，自由能自然下降，另一部分是表面能，晶核变小，系统表面能越大。设有n个半径为r的新相金刚石球体，金刚石单位面积固体表面能，体系自由能变化值，则

                    (4 )

从求极值，得到临界半径，将其代入到(4)式，得到体系达极值时的吉布斯自由能值

               (5)

p1×104 MPa	0.7026	5	7.59336
(p1-p0) ×104 MPa	0.1	4.3044	6.90206
Rk(σ=5400erg/cm2)	236 Å	13.2 Å	17.26 Å
	12.598×10-8	4.193×10-10	6.741×10-10

        p-p0=1000 MPa时，即压力处在相平衡线稍上方时，其值要比后二个大102倍还多，这个能量要从系统能量“起伏”来提供，越大，成核机率越小，在相平衡线附近，成核不易进行，在静压法中，为改善成核条件，要用触媒，不靠成核，靠生长。

 二)晶体的结构形态和特点 

       是一种Carbonado型的多晶金刚石，Carbonado就是天然多晶金刚石，只产于巴西的Macos河谷与中非共和国二地，极稀少，非常名贵。有三种有关其粒度的名称与概念：一次颗粒，一次聚晶颗粒，聚合聚晶颗粒[ 3 ]

       用X衍射小角度散射法测出来的粒度就是一次颗粒粒度，它就是在百万倍TEM下看到的小球状颗粒 (图2)；在10万倍左右的AFM和SEM下看到的颗粒就是一次聚晶颗粒，而其中众多小颗粒结合的大“葡萄串”就是聚合聚晶颗粒(图1及3);在3000-10000倍的SEM下看到的形状各异的颗粒就是葡萄串的低倍外形(图4)。聚合聚晶颗粒粒度就是商业粒度。

       要特别指出，这种Carbonado型多晶金刚石与贫氧炸药TNT爆轰所得的爆轰金刚石是完全不同类型的金刚石。

三) 研究和生产爆炸多晶金刚石的有关理论体系[ 2 ]

在冲击波合成多晶金刚石的理论体系中，从爆炸力学角度来说，有4大命题：

1) 如何实现高速飞片(飞管)打击及飞片(飞管)打击理论。

      2) 击波通过粉体时，如何建立计算压力和温度的力学和物理模型

      3)建立金刚石转化的压力—温度—逆变温度(P—T—T*)参数窗口，找到最佳值。

      4)全面创新独具匠心、高智慧完整的工艺技术去实现理论要求。

    

图1  SEM照片                            图2   TEM照片

图3    AFM照片

图4  SEM照片 ×5000

两种打击方式：圆管收缩打击装置与平面飞片打击装置:                                                            

圆管收缩打击装置

平面飞片打击装置

       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[7]就是采用圆管收缩打击装置的，后来发展到一炮炸药达到1吨多;  平面飞片打击采用的每炮炸药最多仅为10公斤，相对每炮能合成的金刚石量较少。但仍有各自优缺点。

四) 压力计算模型[ 2 ]

       粉末体多是石墨粉与金属粉的混合体，金属粉多用铁、铜与钴，一般多采用铁与铜粉，价格便宜，易于操作。但击波通过后的混合粉体的流动属二相流，如何在二相流动中建立压力模型是个很复杂的问题。“均相分布理论”[4]视石墨与金属粉的粒度为无限小，混一起成为一个均匀相，根据此假定，可推出这种均匀相的莫乃汉状态方程式来，例如铜/石墨=90/10混合粉的状态方程是：

                          MPa                ( 6 )

       且有,V0=0.14624 cm3/g , 用“均相分布理论”去计算压力，作者曾长时期使用，但后来发现此理论不被实验所证实,被引入误区。举例来说，将初装密度为75％的90/10粉末，即粉末的V₀₀/V₀=1/0.75=1.333333,用速度V_p=3355m/s飞片去打击此粉末，粉末中的压力可用三个式子来解出：

              ( 7 )

其中是铁的冲击常数,解上三式，求得：

      

       从而可按相应理论依次求出90/10粉受冲击后的冲击能量E₁=2365.283J/g冷内能E_k=488.693J/g 热内能,及按德拜理论求出温度再按卸载理论中的公式：

         ( 8 )

其中

计算(8)式，求得 ,最后按卸载温度公式求出卸载温度：

 (1691.1℃)        ( 9 )

       在真空中，700-800℃时金刚石表面开始石墨化; 在惰性气体中，超过1700℃时，整个晶体会迅速石墨化[ 5 ]; 现在常压下温度近1700℃，按理应几乎是全石墨化了，可实验证实，没有任何逆变。实际上，金属粉的作用有二：既起打击板的作用，又起冷却作用。“均相分布理论”没有反映这个客观本质，因而不被实验所证实[2]。

五) 其它几个命题

       在常压下爆炸时，飞片是在常压空气空间中飞行的，过去几乎所有爆炸力学专家都认为：隨着飞片飞行，飞片下的空气会向四周排出，因飞片飞行四周无任何阻挡。作者在近10年的实验中发现在高速飞行(>3000m/s)的平面飞片下的气体很难向四周排出，而经过绝热压缩后，有巨大的聚能效应，该气流能将粉盒在Φ150mm处厚度10mm的边缘整圈切去，切口光滑; 因篇幅所限，不在此处作过多叙述[2]。详细内容将在“爆炸与冲击”杂志上发表。

       后处理工艺一般都采用“回收→去杂质→去金属→去残留石墨→去含硅杂质”的程序，一般细心操作，都不会出大的问题，但如果在某些环节上技术发生错误，最后会出现“笼形石墨”，如KC8 ,KC9, KC10, KC16 ,KC24, K3C60,俗称钾石墨，且不能用一般氧化方法去掉，从而对金刚石的提纯造成巨大麻烦。

       这种多(聚)晶金刚石各向同性，无解理面，不会发生从解理面脆断所导致划伤的缺点，保证浅的损伤层；且在磨削抛光中会适时剥落而显现新的微观刃口的“自锐性”。

 参考文献

[1] 邵丙璜  汪金通.  强击波作用下石墨转化金刚石的相变动力学. 中国科学院力学研究所内部资料: 1977.

[2] 张凯. 爆炸多晶金刚石的理论与技术创新-2008 [专著].待出版.

[3] 张凯 张路青. 一种Carbonado型结构的爆炸纳米多晶金刚石. 材料导报，第23卷5月专辑ⅩⅢ，2009。

[4] 邵丙璜  汪金通. 平面飞片作用下石墨相变为金刚石的热力学参量计算. 中国科学院力学所内部资料:   1977.

[5] 林克英. 超细金刚石微粉的提纯及分级工艺研究. 中国地质大学硕士学位论文. 2006.

[6] D.G.Morris, An investigation of the shock induced transformation of graphite to diamond [J]. appl. Phys: 51(4) ,april,1980.

[7] Anthony S. Balchan; George R. Cowan; both of  Woodbury  N . J ; Method ot explosively shocking solid materials; U. S. patent 3608014, June, 28, 1968.