金刚石合成中的另一个传压介质——白云石

在高温高压法合成金刚石工艺中，密封传压介质在人造金刚石的合成中起着非常重要的作用，合成金刚石所需要的高温高压的条件是靠密封传压介质来获得的。我国对密封传压介质的应用，由最初的叶蜡石切割块，到后来的叶蜡石粉压块，到目前在工业生产中广泛使用的叶蜡石-白云石复合块，这些都体现了我国密封传压介质的进步和发展。

叶腊石的局限性

传压介质在高温高压下具有稳定的物理化学性能是确保合成稳定的重要因素之一，众所周知，目前合成金刚石密封传压介质所用的材料主要为叶蜡石，但是叶蜡石作为高温高压合成金刚石的传压介质存在着两大主要缺陷：

其一，高温下发生相变，体积收缩；

其二，高温下会脱出结晶水。

叶蜡石在高温下相变会生成蓝晶石，蓝晶石不仅坚硬致密，而且具有较大的导热系数，导致合成腔体内的温度降低，同时由于体积收缩，导致合成腔体内压力下降；叶蜡石在高温下脱出的结晶水会进入高压合成腔，对金刚石的生长极为不利，有可能在高电流的作用下电解成H2、 O2等气体，引起合成腔体内部剪切力的破坏，而导致“放炮”事故的发生。于是，又出现了一种合成金刚石用的新型传压介质——白云石。

白云石的辅助功能

1、白云石内衬材料的三种组成材料：

(1)白云岩，所占比例约70%--75%，还含有少量石英和方解石，但石英和方解石含量小于2%，基本为纯白云岩。岩石破碎成粒径小于1mm的颗粒。

(2)叶蜡石，配比约占20%，由叶蜡石矿石破碎成粒径小于0. 5mm的颗粒。

(3)铁质化合物材料，所占比例约5%，破碎粒径小于0.1mm。

上述三种材料混合均匀，加入粘结剂水玻璃，在制造传压密封材料时制成圆柱形衬管。白云石内衬材料化学成分为SiO2: 16. 44%，Al2O3：4.99% ，TiO2：0. 159% ，CaO：26.98% ，MgO：14.47%，Na2O：2.88%，K2O：0.72%，Fe2O3：2.21%，烧失量为34.62%。

2、白云石与叶蜡石性能比较：

白云石是碳酸盐类矿物，白云石与叶蜡石的物理性质比较如下表所示。

	热膨胀系数*(1/K)	热传导率（J/s.cm.K）	密度（g/cm3）	高压高温处理后物相变化
白云石	2.7×10-5	0.0665	2.89	微量
叶蜡石	7.6×10-6	0.0923	2.95	有

注：*表示323~773K温度范围内的热膨胀系数

白云石不含结晶水，且在高温高压下非常稳定，没有相变，分析表明，用于金刚石合成之后的样品仍保持原来的物相，没有碳酸盐类物质的分解。此外，白云石的热传导率低于叶蜡石，因此，作为隔热材料，白云石也将优于叶蜡石。采用白云石做传压介质，主要是利用它的高热膨胀率的特点。但是，由于白云石的内摩擦系数小，不宜用做密封材料，因此在六面顶压机上使用白云石做传压介质时，一般将其做成套管而装在叶蜡石块内，组成复合的密封传压介质。

3、白云石用于金刚石合成的内衬材料

白云石具有优良的绝缘绝热性能和高熔点，在高温高压下白云石基本稳定，用于传压密封介质材料可以起到以下有利作用:

（1）叶蜡石在高温下产生相变时体积收缩，导致高压腔内压力有较大损失和产生较大的压力梯度。而叶蜡石块中加白云石内衬不仅可使叶蜡石相变层变薄，乃至清除。由于它在高温高压下物相稳定，无体积收缩，且热膨胀系数为叶蜡石的三倍，在高温下体积处于膨胀状态，弥补了由于叶蜡石相变体积收缩而造成的合成腔内部压力的损失。

（2）由于白云石传热系数较小，因此白云石内衬材料在金刚石合成中可以起到保温绝热作用，可以阻止外层叶蜡石的相变脱水，降低了合成压力，减少了合成腔中的压力梯度，改善了合成腔内部的压力分布，降低合成所需要的电流，从而降低了能耗。

（3）白云石将脱出的水分以及叶蜡石中的SiO2等杂质成分隔离在高压合成腔之外，减少杂质进入高压腔内的可能性，起到净化合成腔的作用，致使合成的金刚石色泽好，透明度高; 提高了金刚石的品质。

（4）由于白云石具有较小的内摩擦系数，因此密封性较弱，只能做成内衬加在叶蜡石块的内壁上，这种复合结构综合了叶蜡石和白云石的优点，降低了合成金刚石对叶蜡石的要求，扩大了叶蜡石的选择范围。有可能使用不含叶蜡石的矿物原料制作新型传压密封材料的外层。如伊利石粘土、高岭石粘土以及混合粘土等，因这些粘土矿物含结晶水和结构水较多，脱水后会造成较大的体积收缩以及水会对金刚石生长造成危害，过去认为是不适合制造合成金刚石的传压密封材料，但是有了白云石内衬材料，这些粘土矿物制造合成金刚石的传压密封材料就变得可以实现。这样一来，大大扩大了传压密封材料选择的范围，可以彻底解决叶蜡石矿石的短缺，对金刚石行业的发展具有重大意义。

（5）在传压密封材料制品中由于白云石及添加的铁质化合物具有较高的内摩擦系数，密封性能得到提高。复合材料的应用使合成金刚石传压密封材料的整体工艺性能得到提高和优化，使合成过程变得更稳定，更易于控制，减少了顶锤消耗，提高了生产效率。

（6）有利于金刚石后期的提纯处理，由于除去叶蜡石需要用到火碱，且消耗量大、耗时长。而叶蜡石-白云石复合结构所含的叶蜡石料较少，白云石是碳酸盐，在加酸除石墨阶段就可以去除，故减少了火碱的使用量，减少了提纯回收的工作量，其耗碱量只需单一叶蜡石块合成金刚石的1/4。从而也降低了对环境的污染。

（7）高温高压过程中，白云石微量分解，对合成金刚石可能更为有利。反应式可用下式表示：CaMg(C03)2+ Fe2O3+ 4SiO2→2( Mg,Fe,Ca)2Si2O6+ 2CO2

由于反应是在高压下进行，释放的CO2不能排出，反应不能进行完全，只有微量的白云石发生分解，形成很少量的辉石，释放的少量CO2封存在高压腔中，使高压腔充满CO2气体。CO2的存在一方面有可能使高压腔壁面受力均匀，避免剪切破坏——“放炮”现象的发生，可以降低顶锤损耗，有利于提高生产效率；另一方面，CO2气体高温高压下可能具有较高的反应活性，有可能与触媒金属、石墨等发生作用，可对金刚石生长过程的传质起到一定的调控作用。

目前，以叶蜡石为主体、白云石为内衬材料的这种复合结构的密封传压介质作用是多方面的，对合成优质、低耗、高产的金刚石是非常有利的。同时合成压力、合成电流也有一定幅度的下降，并降低了锤耗，节约了成本，减少了环境污染，因而在工业生产中得到了广泛的应用。