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　　1 引言
　　金刚石具有多种优异的性能，诸如最大的硬度，最高的热导率，最宽的透光波段，声速最快，抗强酸强碱,抗辐射，击穿电压高，载流子迁移率大等等。因此，它已被广泛应用到工业、科技、国防、医疗卫生等众多领域当中。例如：大规模地应用到高硬度材料的机械加工，精密加工工具、半导体激光器和高功率激光武器等的散热片、红外分光用的窗口材料、金刚石对顶砧压机的压头等。
　　由于天然金刚石大单晶以及人工合成的宝石级金刚石大单晶价格昂贵，成本较高，还不能大规模的工业化应用。作为一种替代产品，金刚石聚晶(PCD)一直受到了人们广泛地关注¨
　　理想的金刚石聚晶不但具有金刚石单晶优异的物理性能，而且还表现出金刚石单晶所不具备的各向同性的优点。为达到上述两大优点，在制备金刚石聚晶时要尽量少用粘结剂，甚至不用粘结剂，以达到真正的金刚石颗粒间的直接键合。同时，选用的金刚石微粉的粒度要尽可能的细，并在烧结过程中避免晶粒的异常长大 。
　　本文通过高温高压下金刚石再生长烧结方法，采用细粒度金刚石微粉作原料，铁基金属微粉作烧结助剂，在六面顶超高压设备上进行了金刚石聚晶的制备。与传统的钴基粘结剂相比具有价格低廉等优点。铁基金属同时也是合成高品级金刚石的熔媒材料，因此可有助于金刚石颗粒之间的再生长和成键。
　　本文借助铁一碳相图对铁基一金刚石体系的烧结条件进行了探讨，并通过光学显微镜、扫描电镜、x—ray衍射、Raman光谱对制备的金刚石聚晶进行了表征和分析。
　　2 实验
　　本实验采用Fe基金属微粉作烧结助剂，通过高温高压下金刚石微粉颗粒间的再生长烧结方法，在六面顶超高压设备上进行了金刚石聚晶的合成研究。金刚石微粉粒度为1600目。烧结条件为5．8 GPa，1400—1600℃ 。为避免金刚石颗粒的异常长大，烧结时间一般控制在5分钟左右。
　　金刚石微粉经表面处理后与一定配比的Fe基金属微粉均匀混合，然后封装在钼腔中，组装简图如图l所示。
　　烧结后的样品表面首先经过砂轮磨削，使其露出金刚石聚晶层，然后用酸处理除去表面析出的金属助剂。最后通过高倍光学显微镜、扫描电镜、X—ray衍射、Raman光谱对处理后样品表面进行了观测分析。
　　3 结果与讨论
　　3．1 金刚石聚晶烧结工艺参数的确立
　　实验表明，金刚石微粉的粒度(配比)、烧结助剂的比例、烧结温度和压力以及烧结时间等工艺参数对制备优质金刚石聚晶都有重要影响。根据我们前期对不同粒度金刚石烧结特性的对比研究表明，金刚石粒度越细烧结的金刚石聚晶越致密。本实验选取1600目的金刚石微粉作原料并与一定比例的铁基金属微粉均匀混合后进行烧结。由于采用了铁基金属微粉作烧结助剂，而铁基金属本身又是合成金刚石的熔媒，因此，合适的高温高压烧结条件非常关键。根据5．7 GPa压力下铁一碳二元相图，如图2所示，金刚石的生长区间为1415—1557℃。同时，我们还可以看出，在1330—1415℃ 范围内，有一个碳化铁的热力学稳定区。为此，我们分别在5．8 GPa，1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC不同的温度点进行了金刚石的烧结。同时，为了避免超细金刚石微粉在高温高压下晶粒进一步长大，烧结时间一般控制在5分钟左右。
　　3．2 光学显微镜观测
　　图3所示为不同温度下烧结的金刚石聚晶经表面磨削后的高倍光学显微照片，其中图(a)、(b)、(e)和(d)分别对应1450℃ 、1500℃ 、1550℃和1600℃ 烧结的样品。从光学显微照片上看，金刚石聚晶颜色呈灰黑色，组织均匀且致密，已看不出原来金刚石微晶颗粒的完整规则晶面，整个表面有大量均匀分布的无规则形貌的细小颗粒构成，没有发现明显的晶粒长大现象。
　　3．3 微观形貌分析
　　图4所示为高温高压条件下(5．8 GPa，1550 oC)烧结的PCD材料的扫描电镜照片。从扫描电镜照片上看，PCD聚晶组织均匀且致密，已看不出原来金刚石微晶颗粒的完整规则晶面。从图(b)高倍率电镜照片上，我们还可以看出，微晶颗粒表面有熔融的迹象。PCD的微观形貌结果表明，在高温高压下，金刚石微晶经历了塑性形变，与铁基熔媒接触处的金刚石在熔媒中进行了溶解和再生长，最终形成了致密的PCD聚晶材料。
　　3．4 XRD分析
　　图5是不同温度下烧结的金刚石聚晶的x射线衍射谱，其图中(a)、(b)、(c)和(d)分别对应1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC烧结的样品。从图5我们可以看出，除明显的金刚石样品峰外，还有少量Fe c的衍射峰。这表明采用铁基粘结剂制备的金刚石聚晶中，在晶界处除金刚石与金刚石成键外还有部分铁碳键的存在。同时，在1600 oC烧结的样品(d)中有少量石墨峰的存在，表明金刚石表面有部分残留的金刚石逆转化的石墨。
　　3．5 Raman光谱分析
　　Raman光谱由于对s 杂化的金刚石和sP 杂化的石墨的信息非常敏感，因此，是表征金刚石和石墨碳的一种重要的光谱手段。为了研究金刚石聚晶的Ramail特性，我们分别给出了金刚石聚晶和人工合成的宝石级金刚石单晶的Raman光谱(图5所示)。通过对比我们可以明显看出，我们制备的金刚石聚晶的Raman光谱具有几个显著的特征：①金刚石聚晶的特征Raman峰的半高宽较宽(15—20 om。。)，而单晶金刚石的半高宽仅2—3 cm～。Raman峰的半高宽往往与晶格中的各种缺陷、位错等有关系，由此表明，金刚石聚晶在制备的过程中，可能由于局部受力不均，造成金刚石颗粒内部形成缺陷。② 聚晶金刚石的Raman光谱往往表现出较高的荧光背底，这可能是由于聚晶内部有大量晶界以及表面不太光洁等所致；③聚晶金刚石Raman谱中除金刚石的特征Raman峰外，在1580 cm 还有一个较宽的G带，表明聚晶金刚石中有少量石墨的存在。
　　3．6 Fe基熔媒助剂制备PCD的再生长烧结机理
　　根据上述测试结果，我们认为，在高温高压条件下，金刚石微晶颗粒之间的部分区域，尤其是颗粒空隙间的低压高温区将有部分金刚石逆转化的石墨生成。当金刚石一熔媒体系处于金刚石生长的区间时，初始的部分金刚石逆转化的石墨将在熔媒中溶解并再生长为金刚石，从而加速了金刚石颗粒间的成键过程。最终形成致密的金刚石自成键的PCD材料。
　　另外，当采用Fe基烧结助剂制备PCD材料时，由于在烧结过程中形成了碳化铁，因此，我们认为，制备的PCD材料内部除存在金刚石的自成键外，还有金刚石与金刚石之间通过铁碳键把铁基助剂和金刚石烧结在一起的一种机制。
　　4 结束语
　　采用铁基烧结助剂，通过高温高压下再生长烧结方法制备了质地均匀致密的金刚石聚晶(PCD)，并通过X—ray衍射、扫描电镜和Raman光谱对PCD内部成分和微观形貌进行了分析，对生长机理进行了初步的探讨。