一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法
2023-05-22 22:17:21 2
專利名稱：一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法
技術領域：
本發明涉及由碳納米管合成金剛石的方法。
背景技術：
金剛石又名鑽石，是世界上目前已知的最硬的物質，是地球上一種罕見的礦物。古代，金剛石就被當作珍貴的裝飾品和紀念品；到近代，金剛石各種特殊的性能和使用價值才被發現，開始了多方面的工業應用研究，目前已逐漸成為切削、鑽探、抗磨、特殊儀器元件等方面的首選材料，在機械加工、電子電器、光學玻璃和寶石加工、鑽探和開採、建築與建材等工業應用十分廣泛。18世紀末，英國科學家首先發現金剛石是碳的一種結晶形態，與石墨同為晶態碳的同素異形體，於是人造金剛石的研究逐漸發展起來。1955年美國物理化學家在人類歷史上首次實現了石墨超高壓合成金剛石，隨後靜壓觸媒法、爆炸合成法、亞穩態生長法等發展起來。1985年，美國科學家發現了富勒烯C60，1991年日本專家發現了碳納米管，分別為晶態碳的第三、四種同素異形體。碳納米管具有優異的力學性能和物理性能，從其被發現至今，一直是各國科學家在納米科技領域的研究熱點之一。由於富勒烯和碳納米管的能量狀態高於石墨低於金剛石，因此從富勒烯和碳納米管轉變為金剛石比石墨更容易進行。有關研究發現C60和碳納米管在一定的壓力和溫度下都可以轉變為金剛石。但碳納米管相對於C60來講，成本較低，更容易大量生產，進入工業化應用。目前碳納米管合成金剛石的方法有化學氣相合成法，此方法僅限於製備金剛石薄膜產品；雷射輻照法，採用CO2雷射器，雷射功率密度達104W/cm2，通過雷射和淬火處理，碳納米管可以在鑄鐵基體上部分轉變成金剛石；高溫高壓合成法，在溫度1500℃，壓力5-6GPa下(不用催化劑)或者在溫度1300℃，壓力4.5GPa下(用NiMnCo做催化劑)，碳納米管可以部分轉變為金剛石，或者將碳納米管鍍上一層Ni，在溫度1600℃，壓力8GPa下，碳納米管也可以部分轉變為金剛石(不用催化劑)，所需要的GPa量級的高壓通常用六面頂壓機或兩面頂壓機等設備來實現，對設備要求高，所得樣品體積小；衝擊波爆炸法，通過衝擊波爆炸產生的瞬時壓力(可達25GPa)來合成金剛石，但工藝不好控制，轉化率較低。
發明內容
本發明的目的是提供一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，這種方法和已有技術相比，具有合成壓力低、合成效率高的特點。本發明的工藝步驟是一、將稱量好的碳納米管倒入墊好石墨保護紙的模具中裝配好，裝入放電等離子燒結爐中，抽真空後，加軸向初壓開始燒結；二、放電等離子燒結升溫，燒結電流為1000A-3000A的脈衝直流電，電壓為2V-5V的低電壓；三、最終燒結溫度設置為1200℃-2000℃，到達燒結溫度時迅速升高壓力至60MPa～100MPa，進入保溫階段，保溫時間20-180分鐘；四、隨後關掉放電等離子燒結爐電源開關，隨爐自然冷卻到600℃將壓力降低到3-5MPa，至室溫後出爐，取出樣品，磨掉表面石墨紙，放入濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中腐蝕，然後用清水反覆衝洗乾淨，即得到金剛石產品。本發明用放電等離子燒結(SPS)碳納米管合成金剛石，不需要催化劑，所需壓力最低的僅需60MPa，合成速度快，每爐最快只需40分鐘，降低了能量消耗，提高了生產效率，所得樣品尺寸大，金剛石產品中即有單晶也有聚晶顆粒，直徑從幾十納米到幾十微米，工藝簡單，容易操作，產品質量易於控制。
圖1是放電等離子燒結碳納米管合成金剛石的裝置示意圖，圖2是碳納米管經SPS燒結後樣品表面的掃描電鏡照片，圖3是拉曼光譜表徵圖，拉曼光譜圖中1332cm-1為金剛石的特徵峰，1587cm-1為未發生轉變的碳納米管的峰，圖4是碳納米管經SPS燒結後樣品中的聚晶金剛石掃描電鏡照片，圖5是圖4的拉曼光譜圖，圖6是碳納米管徑SPS燒結後樣品中較大的金剛石晶體電鏡照片，圖7是金剛石晶體表面紋理電鏡照片，圖8和圖9是碳納米管經SPS燒結後樣品中金剛石分布較稀疏情況的電鏡照片，圖10是碳納米管經SPS燒結後樣品中金剛石分布較密集情況的電鏡照片。其中圖1中1為模具外套，2為模具衝頭，3為石墨板，4為動力缸，5為樣品，6為光學高溫計，7為真空室。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的工藝步驟是一、將稱量好的碳納米管倒入墊好石墨保護紙的模具中裝配好，裝入放電等離子燒結爐中，抽真空後，加軸向初壓開始燒結；二、放電等離子燒結升溫，燒結電流為1000A-3000A的脈衝直流電，電壓為2V-5V的低電壓；三、最終燒結溫度設置為1200℃-2000℃，到達燒結溫度時迅速升高壓力至60MPa～100MPa，進入保溫階段，保溫時間20-180分鐘；四、隨後關掉放電等離子燒結爐電源開關，隨爐自然冷卻到600℃將壓力降低到3-5MPa，至室溫後出爐，取出樣品，磨掉表面石墨紙，放入濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中腐蝕，然後用清水反覆衝洗乾淨，即得到金剛石產品。所述碳納米管為多壁碳納米管(裡面含有少量的單壁碳管)，純度大於95％，含有極少量的Ni、La等金屬元素雜質。所述步驟一中燒結爐抽真空為≤6Pa；所述步驟一中初壓為3-5MPa；所述步驟二中放電等離子燒結升溫速率為60-250K/min；所述放電等離子燒結爐的設備生產廠家為日本住友公司，該燒結爐用來燒結陶瓷、金屬陶瓷，梯度複合材料，面向全球銷售該設備。
權利要求
1.一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，其特徵在於工藝步驟是一、將稱量好的碳納米管倒入墊好石墨保護紙的模具中裝配好，裝入放電等離子燒結爐中，抽真空後，加軸向初壓開始燒結；二、放電等離子燒結升溫，燒結電流為1000A-3000A的脈衝直流電，電壓為2V-5V的低電壓；三、最終燒結溫度設置為1200℃-2000℃，到達燒結溫度時迅速升高壓力至60MPa～100MPa，進入保溫階段，保溫時間20-180分鐘；四、隨後關掉放電等離子燒結爐電源開關，隨爐自然冷卻到600℃將壓力降低到3-5MPa，至室溫後出爐，取出樣品，磨掉表面石墨紙，放入濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中腐蝕，然後用清水反覆衝洗乾淨，即得到金剛石產品。
2.根據權利要求1所述的一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，其特徵在於所述碳納米管為多壁碳納米管，純度大於95％。
3.根據權利要求1所述的一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，其特徵在於所述步驟一中燒結爐抽真空為≤6Pa。
4.根據權利要求1所述的一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，其特徵在於所述步驟一中初壓為3-5MPa。
5.根據權利要求1所述的一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，其特徵在於所述步驟二中放電等離子燒結升溫速率為60-250K/min。
全文摘要
一種低壓力下燒結碳納米管直接合成金剛石的方法，它涉及由碳納米管合成金剛石的方法。本發明燒結電流為1000A－3000A的脈衝直流電，電壓為2V－5V的低電壓；最終燒結溫度設置為1200℃－2000℃，到達燒結溫度時迅速升高壓力至60MPa～100MPa，進入保溫階段，保溫時間20－180分鐘。本發明用放電等離子燒結(SPS)碳納米管合成金剛石，不需要催化劑，所需壓力最低的僅需60MPa，合成速度快，每爐最快只需約40分鐘，降低了能量消耗，提高了生產效率，所得樣品尺寸大，金剛石產品中即有單晶也有聚晶顆粒，直徑從幾十納米到幾十微米，工藝簡單，容易操作，產品質量易於控制。
文檔編號C01B31/06GK1654321SQ20041004415
公開日2005年8月17日 申請日期2004年12月22日 優先權日2004年12月22日
發明者沈軍, 張法明, 孫劍飛, 王剛 申請人:哈爾濱工業大學