用於合成含硼金剛石單晶的鐵－鎳－硼－碳系催化劑及其製備方法
2023-12-08 14:23:31
專利名稱：用於合成含硼金剛石單晶的鐵－鎳－硼－碳系催化劑及其製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料領域，特別是用於合成高品質半導體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑及其製備方法。
(二)技術背景含硼金剛石屬於IIb型金剛石，具有良好的導熱性、高溫抗氧化性和優異的P型半導體性能，可用於製作在高溫、高壓、惡劣腐蝕、超大功率和強磁場等工作的半導體器件，如半導體二極體、三極體等等。國內外已經開展了許多工作，如俄羅斯科學院礦物與石油地質研究所Yu.V.Pleskov，等人在RussianJournal of Electrochemistry，2002，38，(6)，620-625，刊物上發表論文報導，採用鎳基合金作催化劑，在高溫高壓下合成出含硼金剛石，可用作半導體電極材料；中國科學院上海矽酸鹽研究所研製出一種電子探針新的碳標樣一人造含硼金剛石，該項研究以光譜純石墨為原料，以摻入微量硼的鎳基合金為催化劑，在高溫高壓下生長出一種具有較強螢光的P型半導體金剛石；但是，俄羅斯科學院礦物與石油地質研究所Yu.V.Pleskov，等人和中國科學院上海矽酸鹽研究所的工作均採用鎳基催化劑，因此存在原材料成本高、製造工藝複雜、金剛石的雜質含量較高等缺點。中國專利ZL 00110864.6發明的「鐵基合金催化劑及其製備方法」，是Fe-Ni-C系金剛石催化劑，可以在高溫高壓條件下合成高品位金剛石單晶，但不能合成出高品質半導體含硼金剛石單晶。
發明內容本發明的目的在於克服鎳基催化劑的技術不足，提供一種原材料來源廣、工藝簡單、成品率高、材料與製造成本低廉；合成的含硼金剛石單晶品質高、顆粒大、呈黑色或藍色，具有良好的導熱性、高溫抗氧化性和優異的P型半導體性能。
本發明是通過以下方式實現的用於合成高品質半導體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑，含有鐵、鎳、石墨、錳、銅，其特徵是它還包括高硼硼鐵合金或碳化硼，各組分的重量百分比為鐵60～80％；鎳15～28％；石墨3～8％；錳0.5～1.0％；銅0.5～1.0％；高硼硼鐵合金或碳化硼1～2％。上述組分中鐵、鎳、錳是常用的金剛石催化劑金屬；石墨是為了促進金剛石形核；銅是為了改善金剛石合成工藝；高硼硼鐵合金或碳化硼是供硼劑。
用於合成高品質半導體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑的製備方法，包括以下工藝步驟(1)把鐵粉、鎳粉、石墨粉、錳粉、銅粉和高硼硼鐵合金粉(或碳化硼粉)球磨到150～250目的粒度，烘乾去潮氣；(2)用氫氣保護在400℃還原處理6小時；(3)按成分配比將粉料混合均勻；(4)將混合粉料軋製成0.1～0.5mm厚的薄帶；(5)把粉末軋制的薄帶在燒結爐中通入保護氣氛加熱，進行700～1000℃的低溫燒結，保溫時間不少於4小時；
(6)將燒結薄帶再進行精軋、衝片、整形；(7)清理片狀催化劑的表面，除去汙染物和氧化膜；(8)真空包裝。
上述的製備方法中，在燒結爐中通入保護氣氛可以採用氫氣、氮氣或氬氣。
本發明與常規使用的鎳基催化劑相比，原材料和製造成本大幅度下降，合成的含硼金剛石品質高、粒度大，具有良好的導熱性、高溫抗氧化性和優異的P型半導體性能，易於形成規模化生產。
具體實施方式
下面給出一個本發明的最佳實施例。
採用如下配方配製鐵-鎳-硼-碳系催化劑鐵粉75w.t.％；鎳粉19w.t.％；石墨粉3w.t.％；高硼硼鐵合金粉或碳化硼粉2w.t.％；錳粉0.5w.t.％；銅粉0.5w.t.％。
將上述粉料球磨到150～250目的粒度，烘乾去潮氣；用氫氣保護在400℃還原處理6小時；稱量配比混合均勻；將混合粉料軋製成0.3mm厚的薄帶；在燒結爐中通入氫氣作保護氣氛加熱，進行850℃的低溫燒結，保溫時間5小時；將燒結薄帶再進行精軋、衝片、整形，製成Φ25×0.3mm的圓片；最後清理表面，真空包裝，備用。
在六面頂壓機上，按高溫高壓法和常規工藝規範操作，用製成的Φ25×0.3mm的圓片狀Fe-Ni-B-C系催化劑可合成含硼金剛石單晶。金剛石單晶顆粒尺寸≥0.5mm，呈黑色或藍色，透明度高，測量的電阻值為1000000±100000歐姆，電阻-溫度係數為負值，屬於P型半導體材料。
權利要求
1.用於合成含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑，組分中含有鐵、鎳、石墨、錳、銅，其特徵是催化劑中含有高硼硼鐵合金或碳化硼，各組分的重量百分比為鐵60～80％；鎳15～28％；石墨3～8％；錳0.5～1.0％；銅0.5～1.0％；高硼硼鐵合金或碳化硼1～2％。
2.用於合成含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑的製備方法，其特徵是該製備方法包括以下工藝步驟(1)把鐵粉、鎳粉、石墨粉、錳粉、銅粉和高硼硼鐵合金粉或碳化硼粉球磨到150～250目的粒度，烘乾去潮氣；(2)用氫氣保護經400℃還原處理6小時；(3)按成分配比將粉料混合均勻；(4)將混合粉料軋製成0.1～0.5mm厚的薄帶；(5)把粉末軋制的薄帶在燒結爐中通入保護氣氛加熱，進行700～1000℃的低溫燒結，保溫時間不少於4小時；(6)將燒結薄帶再進行精軋、衝片、整形；(7)清理片狀催化劑的表面，除去汙染物和氧化膜；(8)真空包裝。
全文摘要
本發明涉及一種用於合成高品質半導體含硼金剛石單晶的鐵－鎳－硼－碳系催化劑。該催化劑包括鐵、鎳、石墨、錳、銅及高硼硼鐵合金或碳化硼；該催化劑的製備方法是將催化劑的各組分製成粉末，粒度為150～250目；按成分配比將粉料混合均勻；軋製成薄帶；在燒結爐中進行低溫燒結，再經過精軋、衝片、整形、清理，製成片狀催化劑。本發明的催化劑製備方法簡單易行，成品率高，工藝成本低；合成的含硼金剛石單晶的晶型好、強度高、粒度大、呈黑色或藍色，金剛石單晶電阻值為10000～10000000歐姆，具有負的電阻－溫度係數，為P型半導體材料。
文檔編號B01J27/20GK1692983SQ20051004257
公開日2005年11月9日 申請日期2005年3月21日 優先權日2005年3月21日
發明者李木森, 公志光, 徐培良, 尹龍衛, 宮建紅, 邢子水, 劉憲剛 申請人:山東大學, 山東超硬材料工程技術研究中心