1 引言
　　金剛石具有多種優(yōu)異的性能，諸如最大的硬度，最高的熱導(dǎo)率，最寬的透光波段，聲速最快，抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿,抗輻射，擊穿電壓高，載流子遷移率大等等。因此，它已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、科技、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。例如：大規(guī)模地應(yīng)用到高硬度材料的機(jī)械加工，精密加工工具、半導(dǎo)體激光器和高功率激光武器等的散熱片、紅外分光用的窗口材料、金剛石對(duì)頂砧壓機(jī)的壓頭等。
　　由于天然金剛石大單晶以及人工合成的寶石級(jí)金剛石大單晶價(jià)格昂貴，成本較高，還不能大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。作為一種替代產(chǎn)品，金剛石聚晶(PCD)一直受到了人們廣泛地關(guān)注¨
　　理想的金剛石聚晶不但具有金剛石單晶優(yōu)異的物理性能，而且還表現(xiàn)出金剛石單晶所不具備的各向同性的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述兩大優(yōu)點(diǎn)，在制備金剛石聚晶時(shí)要盡量少用粘結(jié)劑，甚至不用粘結(jié)劑，以達(dá)到真正的金剛石顆粒間的直接鍵合。同時(shí)，選用的金剛石微粉的粒度要盡可能的細(xì)，并在燒結(jié)過(guò)程中避免晶粒的異常長(zhǎng)大 。
　　本文通過(guò)高溫高壓下金剛石再生長(zhǎng)燒結(jié)方法，采用細(xì)粒度金剛石微粉作原料，鐵基金屬微粉作燒結(jié)助劑，在六面頂超高壓設(shè)備上進(jìn)行了金剛石聚晶的制備。與傳統(tǒng)的鈷基粘結(jié)劑相比具有價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。鐵基金屬同時(shí)也是合成高品級(jí)金剛石的熔媒材料，因此可有助于金剛石顆粒之間的再生長(zhǎng)和成鍵。
　　本文借助鐵一碳相圖對(duì)鐵基一金剛石體系的燒結(jié)條件進(jìn)行了探討，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、x—ray衍射、Raman光譜對(duì)制備的金剛石聚晶進(jìn)行了表征和分析。
　　2 實(shí)驗(yàn)
　　本實(shí)驗(yàn)采用Fe基金屬微粉作燒結(jié)助劑，通過(guò)高溫高壓下金剛石微粉顆粒間的再生長(zhǎng)燒結(jié)方法，在六面頂超高壓設(shè)備上進(jìn)行了金剛石聚晶的合成研究。金剛石微粉粒度為1600目。燒結(jié)條件為5．8 GPa，1400—1600℃ 。為避免金剛石顆粒的異常長(zhǎng)大，燒結(jié)時(shí)間一般控制在5分鐘左右。
　　金剛石微粉經(jīng)表面處理后與一定配比的Fe基金屬微粉均勻混合，然后封裝在鉬腔中，組裝簡(jiǎn)圖如圖l所示。
　　燒結(jié)后的樣品表面首先經(jīng)過(guò)砂輪磨削，使其露出金剛石聚晶層，然后用酸處理除去表面析出的金屬助劑。最后通過(guò)高倍光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X—ray衍射、Raman光譜對(duì)處理后樣品表面進(jìn)行了觀測(cè)分析。
　　3 結(jié)果與討論
　　3．1 金剛石聚晶燒結(jié)工藝參數(shù)的確立
　　實(shí)驗(yàn)表明，金剛石微粉的粒度(配比)、燒結(jié)助劑的比例、燒結(jié)溫度和壓力以及燒結(jié)時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)制備優(yōu)質(zhì)金剛石聚晶都有重要影響。根據(jù)我們前期對(duì)不同粒度金剛石燒結(jié)特性的對(duì)比研究表明，金剛石粒度越細(xì)燒結(jié)的金剛石聚晶越致密。本實(shí)驗(yàn)選取1600目的金剛石微粉作原料并與一定比例的鐵基金屬微粉均勻混合后進(jìn)行燒結(jié)。由于采用了鐵基金屬微粉作燒結(jié)助劑，而鐵基金屬本身又是合成金剛石的熔媒，因此，合適的高溫高壓燒結(jié)條件非常關(guān)鍵。根據(jù)5．7 GPa壓力下鐵一碳二元相圖，如圖2所示，金剛石的生長(zhǎng)區(qū)間為1415—1557℃。同時(shí)，我們還可以看出，在1330—1415℃ 范圍內(nèi)，有一個(gè)碳化鐵的熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)。為此，我們分別在5．8 GPa，1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行了金剛石的燒結(jié)。同時(shí)，為了避免超細(xì)金剛石微粉在高溫高壓下晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，燒結(jié)時(shí)間一般控制在5分鐘左右。
　　3．2 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)
　　圖3所示為不同溫度下燒結(jié)的金剛石聚晶經(jīng)表面磨削后的高倍光學(xué)顯微照片，其中圖(a)、(b)、(e)和(d)分別對(duì)應(yīng)1450℃ 、1500℃ 、1550℃和1600℃ 燒結(jié)的樣品。從光學(xué)顯微照片上看，金剛石聚晶顏色呈灰黑色，組織均勻且致密，已看不出原來(lái)金剛石微晶顆粒的完整規(guī)則晶面，整個(gè)表面有大量均勻分布的無(wú)規(guī)則形貌的細(xì)小顆粒構(gòu)成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。
　　3．3 微觀形貌分析
　　圖4所示為高溫高壓條件下(5．8 GPa，1550 oC)燒結(jié)的PCD材料的掃描電鏡照片。從掃描電鏡照片上看，PCD聚晶組織均勻且致密，已看不出原來(lái)金剛石微晶顆粒的完整規(guī)則晶面。從圖(b)高倍率電鏡照片上，我們還可以看出，微晶顆粒表面有熔融的跡象。PCD的微觀形貌結(jié)果表明，在高溫高壓下，金剛石微晶經(jīng)歷了塑性形變，與鐵基熔媒接觸處的金剛石在熔媒中進(jìn)行了溶解和再生長(zhǎng)，最終形成了致密的PCD聚晶材料。
　　3．4 XRD分析
　　圖5是不同溫度下燒結(jié)的金剛石聚晶的x射線衍射譜，其圖中(a)、(b)、(c)和(d)分別對(duì)應(yīng)1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC燒結(jié)的樣品。從圖5我們可以看出，除明顯的金剛石樣品峰外，還有少量Fe c的衍射峰。這表明采用鐵基粘結(jié)劑制備的金剛石聚晶中，在晶界處除金剛石與金剛石成鍵外還有部分鐵碳鍵的存在。同時(shí)，在1600 oC燒結(jié)的樣品(d)中有少量石墨峰的存在，表明金剛石表面有部分殘留的金剛石逆轉(zhuǎn)化的石墨。
　　3．5 Raman光譜分析
　　Raman光譜由于對(duì)s 雜化的金剛石和sP 雜化的石墨的信息非常敏感，因此，是表征金剛石和石墨碳的一種重要的光譜手段。為了研究金剛石聚晶的Ramail特性，我們分別給出了金剛石聚晶和人工合成的寶石級(jí)金剛石單晶的Raman光譜(圖5所示)。通過(guò)對(duì)比我們可以明顯看出，我們制備的金剛石聚晶的Raman光譜具有幾個(gè)顯著的特征：①金剛石聚晶的特征Raman峰的半高寬較寬(15—20 om。。)，而單晶金剛石的半高寬僅2—3 cm～。Raman峰的半高寬往往與晶格中的各種缺陷、位錯(cuò)等有關(guān)系，由此表明，金剛石聚晶在制備的過(guò)程中，可能由于局部受力不均，造成金剛石顆粒內(nèi)部形成缺陷。② 聚晶金剛石的Raman光譜往往表現(xiàn)出較高的熒光背底，這可能是由于聚晶內(nèi)部有大量晶界以及表面不太光潔等所致；③聚晶金剛石Raman譜中除金剛石的特征Raman峰外，在1580 cm 還有一個(gè)較寬的G帶，表明聚晶金剛石中有少量石墨的存在。
　　3．6 Fe基熔媒助劑制備PCD的再生長(zhǎng)燒結(jié)機(jī)理
　　根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，我們認(rèn)為，在高溫高壓條件下，金剛石微晶顆粒之間的部分區(qū)域，尤其是顆?？障堕g的低壓高溫區(qū)將有部分金剛石逆轉(zhuǎn)化的石墨生成。當(dāng)金剛石一熔媒體系處于金剛石生長(zhǎng)的區(qū)間時(shí)，初始的部分金剛石逆轉(zhuǎn)化的石墨將在熔媒中溶解并再生長(zhǎng)為金剛石，從而加速了金剛石顆粒間的成鍵過(guò)程。最終形成致密的金剛石自成鍵的PCD材料。
　　另外，當(dāng)采用Fe基燒結(jié)助劑制備PCD材料時(shí)，由于在燒結(jié)過(guò)程中形成了碳化鐵，因此，我們認(rèn)為，制備的PCD材料內(nèi)部除存在金剛石的自成鍵外，還有金剛石與金剛石之間通過(guò)鐵碳鍵把鐵基助劑和金剛石燒結(jié)在一起的一種機(jī)制。
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　采用鐵基燒結(jié)助劑，通過(guò)高溫高壓下再生長(zhǎng)燒結(jié)方法制備了質(zhì)地均勻致密的金剛石聚晶(PCD)，并通過(guò)X—ray衍射、掃描電鏡和Raman光譜對(duì)PCD內(nèi)部成分和微觀形貌進(jìn)行了分析，對(duì)生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。