合成人造范文

合成人造范文（精选4篇）

合成人造 第1篇

日本兵库教育大学和东京工业大学等机构的研究人员在实验反应堆内用中子射线照射石墨, 接着用移动速度为1.7km/s的金属片撞击石墨, 再给石墨瞬间施加高温高压。经过这一系列“破坏”, 石墨会碎裂成微粒, 其最大尺寸仅100μm。研究人员用光线照射并分析这些微粒, 发现其中的晶体颗粒无规则排列且朝向不同, 形成了人造金刚石, 其晶体颗粒的尺寸小到接近极限。研究人员认为, 这种人造金刚石有望用来制作高品质的切削工具等。

合成人造 第2篇

随着宝石级金刚石合成技术的不断突破,金刚石产业已经处在革命性变革的黎明。最近10年以来,科学家们在宝石级金刚石合成技术方面取得了长足的进展,所取得的成果足以让世人惊奇。2003年人造宝石级金刚石开始在美国珠宝商点销售,在天然金刚石市场引起轩然大波。翌年用CVD方法合成的10克拉的宝石级大单晶金刚石问世。人造宝石级金刚石已经进入珠宝市场,在国外一些珠宝店我们已经看到人造彩色和无色金刚石做成的首饰,其光彩夺目的程度完全可与天然矿物钻石相媲美。现在,最好的人造宝石级金刚石的晶体质量已经超过天然同类,合成技术的进步为金刚石更为广泛的应用开启了一扇大门。

本文将对人造宝石级金刚石生产技术进展、应用和市场前景作一个简介。

1 大单晶金刚石的合成技术现状

因为不同的合成方法所得到的金刚石纯度和性能不一样,应用范围和市场也不一样,另外,合成技术的水准在很大程度上也决定了宝石级金刚石的应用范围和市场大小,所以在讨论宝石级金刚石的应用及市场之前有必要考察一下合成技术近年来的进展。

宝石级金刚石合成有两条途径,高温高压(HPHT)法和化学气相沉积(CVD)法,下面分别介绍这两种方法目前所达到的水平。

1.1 高温高压法

高温高压法的确切含义是指温度梯度法,国内也称温度差法。为与国际期刊一致以下简称HPHT法。该法1967年由GE公司研究小组首次提出,1971年该研究小组合成出5mm(约1克拉)黄色单晶金刚石(Ⅰb型),良质晶体生长速度限界2.5 mg/h,随后,又开发了无色(Ⅱa型)和蓝色(Ⅱb型)大单晶金刚石的生长技术。遗憾的是由于所使用设备庞大和晶体生长再现性不好而导致合成成本过高,没有能够形成产业化。尽管如此,今天在检讨宝石级大单晶金刚石合成技术时对他们的工作不能不怀有敬意,他们所开发的温度梯度法合成技术、除氮技术和掺硼技术至今仍然是宝石级大单晶金刚石高温高压合成的三大核心技术。

住友电工在HPHT法大单晶金刚石合成技术上达到了目前世界最高水准。主要成就在于:(1)晶体生长速度大幅提高。利用大晶种(5 mm)等技术将黄色大单晶金刚石的生长速度由通常2~2.5 mg/h提高到12~15 mg/h;通过优化触媒成分和提高温度压力控制精度等,将无色大单晶的生长速度由通常1~1.5 mg/h提高到6~7 mg/h,优质Ⅱa型单晶最大达到10 mm(直径);(2)金刚石结晶性大幅改善。他们合成的Ⅱa型金刚石杂质低于0.1×10-6,晶体缺陷明显低于天然金刚石。第一项成果的意义在于大幅度降低生产成本,为批量合成宝石级金刚石,尤其是Ⅰb型金刚石清除了一大障碍,而第二项成果则为人造金刚石在光学、电子器件和珠宝等方面的应用创造了条件。住友电工的大单晶金刚石产品即以HPHT法合成的黄色金刚石原石经切割抛光可做成各种尺寸的方片和长条,而无色金刚石切成的产品仅有显微红外窗口和金刚石对顶砧。根据产品尺寸可以推断,目前住友电工掌握了7~8 mm以下黄色大单晶的批量生产技术,其中5 mm以下黄色大单晶的生产技术可能相对更成熟。

De Beers也开发了HPHT法合成大单晶金刚石技术,根据大单晶产品判断,其Ⅰb型大单晶合成技术应该与住友不相上下。

批量合成大单晶金刚石另一项重要技术是压机小型化。虽然随着晶体生长速度的提高在一定程度上生产成本得以降低,但合成所使用的压机昂贵,生产成本仍有下降空间。90年代初由前苏联科学家Boris Feigelson等人开发了两段式分球压机(俄文简称BARS),1995年美国退休将军卡特克拉克引进3台这种压机并成立了Gemesis公司专门合成大单晶金刚石,后经美国佛罗里达大学Reza Abbaschian等人大幅改造,温度和压力控制精度达到了批量合成宝石级大单晶金刚石的要求。这种压机重量仅1.8 吨 (一说3.6吨),体积只有洗衣机大小,2001年这种压机成功地合成出黄色大单晶。2003年Gemesis公司首次将经切割打磨过的黄色金刚石推向市场(图1),并计划将生产规模扩大到27台压机。晶体生长速度为3天半2.8克拉。

1.2 CVD法

CVD法合成单晶金刚石与金刚石多晶膜在技术上最大的不同点是前者使用金刚石晶种。说到用CVD法合成单晶金刚石时一位不能不提的人物就是美国阿波罗金刚石公司(Apollo Diamond,以下简称阿波罗)的创始人Robert Linares。他是材料学博士,曾在美国贝尔实验室工作,上世纪80年代创立光谱技术公司生产单晶砷化镓晶片,1985年他卖掉了这家公司从事CVD技术开发。开始他在自家车库里用CVD法合成金刚石,1996年一个偶然的机会使他发现了CVD法合成无色单晶金刚石的条件,1999年申请并于2003年获得美国专利。2003年阿波罗生长出边长10 mm见方的无色单晶金刚石晶片并开始在市场销售由晶片切割抛光而成的首饰用金刚石。2005年阿波罗能够生长出约2克拉的单晶金刚石,生长速度达到每周5克拉,经切割打磨后成为首饰用金刚石,单颗重量达到0.25~1克拉,净度IF~SI。

美国卡内基地质物理实验室于1998年开始CVD单晶金刚石合成技术的开发。2004年生长出对角长10 mm,厚4.5 mm的单晶金刚石,生长速度100μm/h,最高速度达到300μm/h。所得到的单晶呈褐色,经高温高压处理后无色。2005年生长出10克拉的透明单晶金刚石(图2),并且能直接生长近无色、蓝色和黄色大单晶,无需高温高压处理。卡内基地质物理实验室于2002年申请并于2005年获得美国专利。

元素6公司于2002年用CVD方法生长出单晶金刚石,2004年合成出5 mm见方的单晶金刚石晶片。根据公司的产品宣传彩页,元素6公司已经能够生产边长4.5 mm的无色单晶金刚石晶片,晶片的主长方面为(110)面,根据晶体的尺寸、颜色和净度我们可以判断在CVD单晶合成方面他们已经达到很高的水准。

与HPHT法相比,CVD法的主要优点在于:(1)金刚石纯度高。在HPHT法中,金刚石在熔融的触媒里面生长,构成触媒的金属原子或多或少会进入金刚石晶格。而在CVD法中,只要使用高纯度气体,原则上就能够生长高纯度金刚石。(2)生长大型单晶金刚石成为可能。CVD装置属于一种真空设备,大型化不存在原则上的困难。目前用CVD法来生长大单晶需要使用大单晶晶片做晶种,晶种有多大就能生长多大的大单晶。但卡内基地质物理实验室已经能够让金刚石方晶在6个(100)面上同时生长,所以晶种尺寸并不构成合成大型单晶金刚石的实质性障碍。设备的大型化,不但可能使单晶金刚石的尺寸得到扩大,而且也可以实现一次生长多颗单晶,使生产成本大幅度降低。在HPHT法中,要扩大高温高压腔体就要制造更大的压机,这就意味着要付出巨大的代价。

2 大单晶金刚石的主要应用

大单晶金刚石的应用范围十分广阔。金刚石集众多优异性能于一身,金刚石的每一类应用其实都是发挥它的一种主要性能再辅之以其它一种或几种性能。下面按金刚石的使用方式对大单晶金刚石的几种主要用途作简单介绍。比较详细的介绍可以参考台湾宋键民博士所著《超硬材料》一书。

2.1 切削材料

金刚石作为一种切削材料主要是利用它的超硬特性,以及它所兼备的高热传导率、高耐磨性、化学稳定性、低膨胀率和它与被切削材料之间的低摩擦系数。

精密或超精密车刀是大单晶金刚石作为切削材料的一种成功应用。单晶金刚石内部无晶界,刀具刃口理论上可以加工出原子尺寸级的平直度和锋利度,通过刀具的超光洁表面和无缺陷副切削刃的作用,使加工的表面粗糙度理论值接近于零来获得镜面加工效果。大单晶金刚石车刀配合高精密车床已经实现最低加工表面粗糙度Ra0.02微米的镜面加工。单晶金刚石车刀在精密或超精密机械加工领域具有重要地位,广泛用来加工原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺和加速器电子枪等超精密镜面零件,也可以用来加工复印机滚筒、隐形眼镜等日常办公或生活用品。

大单晶金刚石还可以做成切刀,用来制作厚度只有几十纳米的生物组织超薄切片,以便使用透射电子显微镜进行观察。大单晶金刚石制作的手术刀极其锋利,可用来进行眼睛和大脑等精密手术。大单晶金刚石制作的刀片还可以用来切断光纤。

有一些用CVD多晶厚膜或PCD复合材料来完成的机械加工也可以用大单晶刀具来更好地完成。如用PCD铣刀加工含有氧化铝的木地板时刃口容易钝化,必须经常刃磨或更换刀片。使用单晶金刚石铣刀则寿命会大幅度延长,使加工效率得到明显提高。又如加工高档汽车轮毂,目前常用的工艺是先用PCD车刀车削,然后再抛光。如果使用大单晶金刚石车刀就可以一步到位,免去抛光工序,达到节省加工时间和成本的效果。

在一些场合大单晶金刚石刀具可以与CVD或PCD刀具换用,究竟适用哪一种刀具要根据性能和价格进行综合判断。可以肯定,随着大单晶金刚石合成技术的提高和成本的降低,在越来越多的场合,大单晶金刚石刀具可以代替CVD或PCD刀具以获得更高的加工效率。

金刚石拉丝模是大单晶金刚石在工业上的另一种成功应用。虽然拉丝模的功能是拉伸而不是切削,但拉丝模对材料的要求与切削刀具相近。金刚石拉丝模已经是一种成熟的产品,最大拉丝模孔径达到5 mm,一些金刚石制造商如元素6公司和住友电工能批量供货。

2.2 光学材料

除部分近红外,金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率,兼备高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数,是一种优异的光学材料。

用人造Ⅱa型金刚石做成的窗口已经用于快速傅立叶变换红外光谱分析,因为金刚石耐酸、耐碱和耐溶剂,扩大了分析样品的种类。另外,用两片金刚石晶片可以做成可加压的红外窗口,加压压强达到100MPa,扩大了分析样品的硬度范围。用单晶金刚石可以做成红外摄像系统的窗口,具有特别的军事用途。

大单晶金刚石还能做成大功率激光器的窗口,激光透过率高,耐高温和耐热震,使得激光器的输出功率得到大幅度的提高。

大单晶金刚石做成的镜头可以在苛刻条件下工作。

打磨成光亮型的大单晶金刚石做成金刚石对顶砧,与激光加热、拉曼光谱以及X光衍射等手段联合使用可以用来研究极端高温高压条件下的材料物性,是地质学和行星科学的基本研究手段。

2.3 半导体及电子器件

金刚石具有宽的带隙,以及强固的sp3化学键,能将碳原子牢固地锁定在晶格上不易受撞击而离位,金刚石可制成在宇航飞船和原子能反应堆等强辐射环境中正常工作的耐辐射器件。由于看到了金刚石探测器具有潜力巨大的新市场,元素6于去年分拆出一家金刚石探测器有限公司,该公司将致力于开发定制的探测器解决方案,开始时将锁定4个主要市场:高能物理、核监测、放疗剂量测定以及远紫外线探测。金刚石探测器并不意味着一定使用单晶金刚石制成,有些探测器既可用多晶金刚石,也可用单晶金刚石,但在某种情况下往往使用单晶效果更好些。金刚石具有高的电子、空穴迁移率,高的击穿电压,高的热传导率,掺杂可半导体化,是一种很有希望的高温半导体材料。尽管金刚石半导体蕴藏着巨大的潜力,但真正制成金刚石半导体还面临着巨大挑战,基本的困难在于还没有找到合适的办法来制成n型半导体。虽然不断有已经制成了n型半导体或是p-n结的报道,但要实用化估计是10年以后的事情。欧洲和日本已经投入大量资金来开发金刚石半导体。

2.4 首饰

人造金刚石在物理上和化学上是百分之百的金刚石。人造大单晶金刚石,现在已经达到与天然金刚石相媲美,甚至比天然金刚石还要完美的程度,以至于珠宝专家仅凭肉眼或是借助低倍放大镜已经无法区别。无论是用CVD法还是HPHT法,人们除了能合成黄色和无色的金刚石之外,还能够合成天然金刚石中极为稀少的蓝色和粉色金刚石。

人造大单晶金刚石除了能够做成戒指、耳环和项链坠子等一般钻石首饰外,还能做成一种特别的纪念钻石。美国生命宝石(LifeGem)公司创立于2001年,其产品是以人体中的碳为原料做成金刚石,以一种特殊的方式帮助家人表达对其已经失去的亲人的爱。其技术包括:在高氮低氧气氛下从头发里面提取出碳,并加热到非常高的温度将其提纯,得到石墨,然后再用HPHT方法合成金刚石。公司在2003年生长出淡到中蓝色金刚石。现在产品包括黄色到金色和蓝色。合成完成后,金刚石按客户要求切割为圆光亮形、祖母绿形和方形等形状。最后在钻石腰上用激光打上标志,可包括死者的名字等内容。

3 大单晶金刚石的市场前景

如上所述,大单晶金刚石应用十分广泛,这决定了大单晶金刚石具有辉煌的市场前景。两个因素决定了大单晶金刚石作为切削材料在机械加工方面的应用和市场将会快速发展:(1)机械加工工业自身的发展。机械加工工业发展的总趋势是高效率、高精度和强化环保意识,大单晶金刚石作为切削材料完全符合这种趋势。很明显,随着现代机械加工工业的快速发展,各种大单晶刀具的市场需求也将会同步扩大。(2)大单晶金刚石的制造成本。据Gemesis和阿波罗公司透露,目前生产每克拉HPHT大单晶金刚石的成本为100美元,而生产每克拉CVD大单晶金刚石的成本只有5美元。可以预见,随着大单晶金刚石生产成本的进一步降低,本来使用PCD和CVD多晶厚膜的场合完全可以使用大单晶金刚石。

大单晶金刚石作为光学材料目前主要用于大型光学仪器或装置,用量不大但附加值高。大单晶金刚石在大功率激光武器和间谍飞机或卫星上的红外摄像系统等为代表的军工领域的应用并不是单纯的市场或利润问题,中国作为一个世界大国必须立足于自主开发。另外,大单晶金刚石光学材料并非注定是阳春白雪,随着大单晶金刚石的生产和加工成本的降低,普通照相机或手机的镜头用大单晶金刚石来制作未必不可能,相应的,市场扩大几百倍几千倍甚至更大也未必不可能。

如果说金刚石电子器件是一个正在迅速发展的市场,金刚石半导体则是一个充满无限希望的未来市场。

人造大单晶金刚石的宝石市场刚刚开始。自从2003年Gemesis公司将切割打磨的HPHT大单晶金刚石在珠宝商点销售以来,阿波罗金刚石(Apollo Diamond)、D. NEA、Chatham人造金刚石(Chatham Created Diamonds)、新世纪金刚石(New Age Diamonds)和Tairus也先后进入宝石市场,其中除阿波罗生产CVD大单晶金刚石外,其余公司均生产HPHT大单晶金刚石。从短短数年内有这么多大单晶金刚石制造商进入宝石市场这一事实,我们不难感受一个新兴市场已经出现。

人造大单晶金刚石的价格。经切割打磨后的人造金刚石按照天然金刚石的“4C”标准进行标价。以Chatham公司的标价为例,一颗重量在0.9~1.2克拉之间、净度为VVS级和Ⅰ级的黄色人造钻石,每克拉价格分别为6600和4812美元。而同样重量等级的粉色或蓝色,净度为VVS级的人造钻石(以下称用于首饰的人造金刚石为人造钻石以合乎习惯),每克拉价格达到9600美元。毛钻合成成本不过区区百美元/克拉(HPHT黄钻约100美元/克拉,粉钻和蓝钻比黄钻高3~5倍),人造钻石的利润实在是高得惊人。

如此丰厚的利润,人造钻石本该迅速地进入首饰市场,但结果不然,我们并没有见到首饰市场上的人造洪水猛兽。以最早进入首饰市场的Gemesis公司为例,公司在2001年开发成功批量生产黄色大单晶金刚石的技术,2003年正式进入首饰市场,在这期间公司的压机快速增加,2004年压机达到27台。公司掌门人克拉克将军踌躇满志,准备每月增加8台压机,最终达到250台。但手头一份最新的资料称Gemesis公司的压机台数仍然停留在40台,虽然资料的准确性不详,因为压机台数属于公司的商业机密,但该公司应该是没有按照原定计划扩大生产。阿波罗公司也在2003年进入首饰市场,遇到的情况与Gemesis公司类似。

如上所述,人造钻石进入首饰市场的主要障碍不在技术,更不在盈利能力。主要障碍归纳起来有三点。首先,所有人造钻石制造商的强项限于合成技术,而对于首饰用钻石的各方面专业知识和设计艺术并不在行。钻石的打磨与设计本来可以交给首饰制造商来做,但在首饰制造商对人造钻石有抵触情绪的情况下这点很难做到。其次是商业利益冲突,这构成了根本性的障碍。全球天然钻石市场规模远超过磨料级金刚石,达到700亿美元。De Beers掌控全球80%的钻石原石的供应,一旦这个市场受到侵蚀,公司损失将是巨大的。所以在人造大单晶金刚石显示可能成为人造钻石之初,De Beers就不惜重金发起天然钻石捍卫运动,主要做了两件事,第一,大力宣传人造钻石是假货,只有天然钻石才是真的,才有永恒的价值;第二,开发专门仪器(DiamondSure和DiamondView)来鉴别人造钻石并免费配送给主要权威鉴定机构,以便将人造钻石剔除出首饰市场。再其次,消费者的观念也左右着人造钻石市场。消费者对人造钻石的态度可分为三类:支持类,主要出于人权和环境保护的考虑选择人造钻石;反对类,只买天然钻石,代表意见:“地下几百万年甚至几十亿年生成的东西与实验室里几天生成的东西不会相同。”爱美类,喜欢钻石的美丽,但因天然钻石价格过高而只能消费人造钻石。

阿波罗和Gemesis为代表的人造钻石制造商也为人造钻石进行了辩护。双方的争执一直闹到美国国会,2002年美国参院政府事务委员会召开了专门听证会,结果不了了之。美国宝石学院(GIA)宣布,将从2006年1月1日开始对人造金刚石进行品级鉴定,并签发证书,规定所有签发证书的人造钻石必须用激光打上“synthetic diamond”的标志。国际金刚石理事会(International Diamond Council)最近作出的裁决:实验室制造的金刚石可以用合成(synthetic)、实验室生长(laboratory-grown)、实验室制造(laboratory-created)、人造(man-made),这些定语后面必须跟上“diamond”或“diamonds”,为避免误解“cultured”禁止使用。受到“cultured pearl(养殖珍珠)”的成功启发,早先一些大单晶金刚石制造商用“cultured diamond”来称呼其产品。美国宝石学院的决定和国际金刚石理事会的裁定将会对天然和人造钻石相关企业产生重要影响。

随着国民经济的快速发展,我国已发展成为世界第二大钻石切割生产国和全球第四大钻石饰品消费国。去年在上海举行的“2007中国国际钻石高峰论坛”上,有专家判断,人造钻石正顺应消费需求高速进入市场,如果规范得当,不会与天然钻石的销售形成冲突。我国人造钻石估计将在最近的将来进入钻石市场,以钻石鉴定为核心的有关规范的出台已经提到有关部门的议事日程上。

4 结束语

过去10年,大单晶金刚石合成技术的巨大成功有力地推动了大单晶金刚石应用及市场的发展。相对于金刚石应用和市场潜力而言,目前的应用和市场不过是冰山一角。即使人造钻石顺利地进入首饰市场,首饰也只不过是大单晶金刚石的一个简单应用而已。随着大单晶金刚石合成技术的进一步提高和成本下降,金刚石的应用范围和市场将会迅速扩大,尤其是一旦金刚石半导体研制成功,人类将迎来继钢铁时代和单晶硅时代后的更为辉煌的金刚石时代,现在我们已经看到了这个新时代的黎明曙光。

合成人造 第3篇

本实验采用弱碱-弱酸-弱碱的反应路线,在传统一次加料反应的基础上,通过改变尿素和甲醛的配比,尿素与甲醛“分批加入,多点分段”控制反应过程中F/U的摩尔比和反应温度,调整树脂结构,运用复合固化剂和新型的甲醛捕捉剂可以制得游离甲醛含量低于0.05%的脲醛树脂胶粘剂,最终使由脲醛树脂胶粘剂制得人造板的性能技术指标达到E0级标准,同时也是一种新型、无公害、环保的胶粘剂。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂:甲醛,37.0%～40.0%,江苏永丰化学试剂厂;尿素,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;甲酸(AC),分析纯,江苏永丰化学试剂厂;氢氧化钠(20%);过硫酸氨(A),分析纯,宜兴市曹行化工厂;三聚氰胺(M),分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;二乙醇胺(D),≥99.0%,上海菲达工贸有限公司;甲醛捕捉剂(M),≥99.5%,江苏强盛化工有限公司;乙醇(E),分析纯,江苏永丰化学试剂厂。

仪器:JJ-1型增力电动搅拌器;JL系列电热套;NDJ-78型旋转黏度计;TS-100酸度计;三口瓶、温度计、锥瓶、滴定管等均为申波玻璃器材有限公司制造。

1.2 脲醛树脂胶的反应机理

脲醛树脂胶的反应路线见反应式1。

1.3 脲醛树脂胶工艺流程示意图

脲醛树脂胶的工艺流程见图1。

2 结果与讨论

脲醛树脂胶粘剂的外观、游离甲醛含量、固含量、固化速度是衡量脲醛树脂性能优劣的指标,实验中重点考察了游离甲醛含量、固含量、固化速度对树脂性能的影响。

2.1 物料配比

脲醛树脂是在羟甲基脲衍生物的基础上,经失水缩聚而形成。当F/U摩尔比越高,产生的二羟甲基脲含量就越多,树脂中游离甲醛含量就越高,产品固含量下降。随着F/U摩尔比降至1.1∶1时,树脂中游离脲含量过高,导致胶合板的稳定性、力学性能、耐老化和耐水性能均有不同程度的降低。在兼顾产品毒性较低,粘接强度较高的同时,控制F/U摩尔比在1.3∶1为宜,结果见图2。

2.2 羟甲基化反应温度

在合成脲醛树脂胶的过程中,温度是一个较为敏感的因素,本实验通过改变羟甲基化反应温度,在较高的温度下可以使得更多的甲醛参与反应,生成更多的二羟甲基脲,从而降低脲醛树脂的游离甲醛含量。但是,温度过高(100℃),甲醛与尿素会发生急剧的缩聚反应,导致游离甲醛含量升高,脲醛胶的性能下降,还会产生大量的副反应。相反,温度过低(70℃),反应不完全,会产生大量的一羟甲基脲,使得后续缩聚不完全,实验中控制反应温度为95～98℃,结果见图3。

2.3 缩聚反应温度

缩聚阶段要密切注视树脂的黏度和浑浊点变化,准确控制反应的终点。随着反应温度升高,缩聚反应速度愈快,可缩短生产周期,提高设备生产能力。若温度过高反应加剧,会使反应温度剧烈升高,甚至使生产难以控制,如出现爆沸而喷胶、易造成分子量过大和分子量大小不均匀,游离甲醛含量高、黏度过大甚至出现凝胶事故。所以反应温度控制在85～90℃为宜,可以制得性能稳定、生产容易控制、游离甲醛含量低、固含量高的高性能粘胶剂(见图4)。

2.4 改性剂对脲醛树脂胶粘剂性能的影响

随着反应的F/U摩尔比的降低,树脂具有脆性较大、耐水性和抗老化性较差、固化时胶层体积收缩、产生内应力而引起胶层龟裂等缺点[4,5]。试验表明,加入改性剂后可以解决游离甲醛、粘结性能和贮存期之间的矛盾,既可以提高树脂的粘结性能、降低游离甲醛含量,又可以延长贮存期,最终可制得游离甲醛含量低于0.05%、贮存期大于68d和固含量为52%的环保型、无公害脲醛树脂胶粘剂(见表1)。

2.5 固化剂对树脂的影响

脲醛树脂的固化是将线型可溶性树脂转化成体型结构的过程,是缩聚反应的继续,也是形成胶合强度的关键过程,对产品的胶接质量起到至关重要的作用[6]。本工艺所研究的复合固化剂过硫酸胺和甲醛捕捉剂M与传统的固化剂氯化铵相比,可制得具有脲醛树脂胶粘剂固化时间短、适用期长、游离甲醛含量很低的环保型脲醛树脂胶粘剂。同时,复合固化剂还可以抑制和吸收由于树脂水解释放游离甲醛,可以进一步去除人造板中的游离甲醛,可以做到无甲醛释放、适用期大于9h、固化时间低于1min01s的脲醛树脂胶粘剂,具体见表2。

3 结 论

采用弱碱-弱酸-弱碱反应工艺,在高摩尔比(F/U=1.3∶1)条件下,考察羟甲基化反应温度90～95℃、聚合反应温度85～90℃、改性剂等对脲醛树脂胶粘剂游离甲醛含量和性能的影响,在新型、环保的固化剂和甲醛捕捉剂M的作用下,合成出胶合强度高、固化时间短、适用期长、优良预压性、游离甲醛含量低于0.05%的低毒人造板用脲醛树脂胶粘剂。

参考文献

[1]车广波,刘春波,崔运成,等.环保型脲醛树脂粘胶剂的研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2003,(2):39-40.

[2]杨明平,彭荣华,李国斌.环保型脲醛树脂胶粘剂合成工艺的研究[J].湘潭矿业学院学报,2003,18(3):92-94.

[3]Nemle G,Colakoglu G.The influence of lamination techniqueon the properties of particleboard[J].Building and Environ-ment,2002,47:863-882.

[4]李德臣,李薇.低毒脲醛树脂粘合剂工业生产方法[J].中国粘胶剂,1999,9(1):20-23.

[5]严顺英,顾丽莉.脲醛树脂的研究现状与研究前景[J].化工科技,2005,13(4):50-54.

合成人造 第4篇

金刚石,作为一种极限功能材料,具有其他材料不可比拟的优异特性而在很多应用领域具有不可替代的作用[1,2]。低成本、粗粒度、高品级金刚石的合成一直是人们追求的梦想。我国自从1963年成功合成第一颗人造金刚石以来,经过近50年的发展,已经成为世界第一人造金刚石生产大国,据有关统计资料表明,我国人造金刚石的年产量在100亿克拉左右[3]。但是与国外同行相比,国内生产的人造金刚石基本为中低品级的产品,高品级人造金刚石生产基本被国外公司所垄断,因此,高品级人造金刚石的合成一直是国内金刚石工作者追求的目标。

早在上世纪70年代初,国内就普遍认识到扩大腔体不仅可以提高单产而且还可以提高金刚石品级,因此提高压机吨位,扩大腔体就成了提高金刚石品级不可或缺的重要手段[3]。目前,我国六面顶压机大型化已经进入快速发展阶段,据不完全统计,国内六面顶压机的数量已经超过5000台[4],而压机缸径也由从前的280～320 mm发展到现在的650 mm,750 mm,甚至于1000 mm,其高压合成腔体也由原先的原来的Φ25 mm腔体发展到现在Φ45 mm、Φ55 mm,而且正向Φ60 mm、Φ70 mm方向发展。但存在的问题是,合成腔体虽然扩大,但是由于合成工艺技术并没有进行相应地改进,很多生产企业只是将原辅材料尺寸、合成工艺参数等简单放大,单产虽然提高了,但是合成出的金刚石品级并没有明显提高,甚至于还不如原先小腔体合成出的金刚石。伴随着合成腔体的扩大,锤耗增大,加上各种原辅材料、特别是硬质合金顶锤的价格有大幅度上升,使得生产企业的综合经济效益降低,致使许多生产企业用大压机合成小腔体,造成了资源的极大浪费。

一直以来我国六面顶压机所使用的传压介质都是立方体叶蜡石复合块,但实践证明,立方体叶蜡石块的合成效果并不是最佳的。在合成过程中,由于六个面的压缩量不同,加热方向的压缩量要比非加热方向的压缩量大,容易造成密封边的厚度不一致,引起“放炮”。本文通过增大叶蜡石复合块在导电方向上的尺寸来弥补立方体叶蜡石复合块导电方向压缩量比非导电方向大的不足,通过合成实验证明,可以有效地降低锤耗。

2 实验

本实验所使用的压机为华晶公司自行研制的梁缸一体化单压源铰链式六面顶压机,压机型号为HJ-650和HJ-750,压力控制精确度为0.1 MPa,加热功率控制精确度为0.01 kW,采用多阶段升压合成工艺进行合成实验,合成工艺曲线如图1所示,采用粉末触媒配U型卡间接加热组装结构,叶蜡石复合块结构为叶蜡石-白云石复合结构,叶蜡石块采用低温长时间阶梯式焙烧工艺,如图2所示,其中某一实验腔体的叶蜡石复合块的尺寸,如图3所示。

3 结果与讨论

根据文献[5],在顶锤砧面尺寸及角度不变的情况下,叶蜡石块的尺寸不同,其所需要的最低合成压力也不同,且与叶蜡石块的尺寸具有一定的规律性。我们知道,叶蜡石块在高温高压合成时会形成由十二条棱边组成的多棱体,且同时会形成十二条密封边。当叶蜡石块尺寸偏小时,此时顶锤之间的间隙很小,高温高压合成后密封边比较薄,压力大部分损失在顶锤间叶蜡石密封边上,压力很难传到合成腔体中,从合成效果上分析显示合成压力不足,且容易发生挤锤现象。当叶蜡石尺寸偏大时,此时顶锤之间的间隙较大,高温高压合成后密封边过厚,这意味着高温高压过程中从多棱体内部向十二条棱边流出了较多的叶蜡石,也就是说高压下叶蜡石的密封性能也越来越差,同时也说明压力传递伴随着叶蜡石密封边的流出而使压力损失增大,造成合成腔体中有效合成压力也将相应减小,因此所需最低合成压力也较高。因此,只有叶蜡石块尺寸大小合适时,才可发挥其最佳传压性能,此时需要施加的合成压力较前两种情况都小,且合成过程较稳定[6]。

我们根据设计尺寸分别计算了叶蜡石复合块、叶蜡石片、白云石片以及导电钢圈填充物叶蜡石芯、白云石芯的密度及粒度配比,见表1。叶蜡石复合块在高温高压合成过程中,由于加热方向和非加热方向的组装结构不同(图2),在加热方向上,叶蜡石片、白云石片以及导电钢圈的填充物叶蜡石芯、白云石芯的密度均比叶蜡石块要小,且叶蜡石片、叶蜡石芯的粒度配比均没有粗料,此外加热方向的叶蜡石直接接触加热顶锤,其表面温度要比非加热方向要高,易造成导电钢圈软化,因此叶蜡石块在六个顶锤同步施加高压过程中,加热方向的叶蜡石压缩量要比非加热方向的叶蜡石要大,合成腔体越大,这种现象就越明显。我们测量过立方体叶蜡石块(x = 0)在合成后加热方向的尺寸要比非加热方向的尺寸小0.5～1 mm,造成加热方向的密封边的厚度与非加热方向的密封边厚度不一致,高温高压物质极易从密封边薄弱处逸出,从而发生“放炮”。根据以上分析,我们将加热方向的尺寸适当地增加,使得加热方向在高压过程中预留了压缩量,测量合成后加热方向和非加热方向的密封边厚度基本一致,降低了合成“放炮”几率,降低了锤耗。但是如果在加热方向上增加的尺寸x过大的话,那么在加热方向上预留的压缩量过大,合成后加热方向的密封边过厚,也容易引起“放炮”而增加锤耗,因此,加热方向尺寸增加量x必须进行系统的分析并根据合成腔体的大小来计算,切不可盲目增大加热方向的尺寸,如此,非但不能发挥其优越性,反而会给合成造成负面影响。

我们将长方体叶蜡石块与传统的立方体叶蜡石块进行了金刚石合成实验,并分别测量了合成后加热方向和非加热方向叶蜡石密封边的厚度,实验结果表明,长方体叶蜡石块合成压力较立方体叶蜡石块降低2～3MPa,长方体叶蜡石块的密封边较立方体叶蜡石块的密封边厚度较为均匀,且锤耗也明显降低,合成的金刚石品级也有所提高。

4 结论

由于加热方向与非加热方向组装结构的不同,在六面顶压机高温高压合成过程中,轴向压力的传递对于提高金刚石的产量和品级有着重要的影响,因此,适当地增大加热方向叶蜡石块的尺寸,有助于提高轴向压力的传递,可有效地提高金刚石的产量和品级。本文仅是对长方体叶蜡石块在人造金刚石的合成应用方面进行了一些简单地探索,要充分发挥其优越性,必须进行系统地研究分析并加以实践,确定加热方向叶蜡石块增大的尺寸,才能在金刚石合成中发挥最佳效果,否则会适得其反,会给合成带来一定的负面影响。

参考文献

[1]贾晓鹏,等.优质Ⅱa型宝石级金刚石的合成技术[J].金刚石与磨料磨具工程,2005(3):8-11.

[2]李彦涛,王改民,贾晓鹏,等.粉末触媒合成高品级金刚石的工艺研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2011,31(4):23-28.

[3]方啸虎,温简杰,杨烨,等.中国六面顶压机大型化的快速发展及相关问题(上)[J].超硬材料工程,2011,23(1):43-45.

[4]王秦生.超硬材料及制品[M],郑州:郑州大学出版社,2006.

[5]李启泉,彭振斌,陈启武,等.叶蜡石在合成金刚石中的流动规律研究及行为分析[J].超硬材料工程,2006,18(2):10-13.