宏崴實業 [email protected]
+886-7-2231058

鑽石合成方式—爆炸

鑽石鑽石的合成可以是氣相法(如PVD或CVD),液相法(如靜壓,觸媒法或CVD液相法),或固相法。固相法乃在沒有流體的材質中合成鑽石。固態的碳原子不能經流體擴散重組成鑽石的結構,而必須在沒有觸媒催化的情況下直接轉換成鑽石。這種相變(Phase Transition)是位移式(Displasive)的,與原子折散後再重組(Reconstructive)的相變,截然有別。位移式的相變因原子不需擴散重組,所以發生非常迅速。由於合成時間短暫,可在靜壓下以電容放電方式瞬間(數微秒)合成,或以炸藥爆發所產生的短暫高壓及高溫即時合成。前者因受限於高壓腔體的容積,所以並不實用,因此工業用鑽石微粉可以爆炸法大量生產

爆炸法分兩類,以產生高壓的炸藥爲原料直接合成,或以震波產生的高壓把石墨轉化成爲鑽石。炸藥爆炸氣化時,殘存的碳及其他元素的原子會互相撞擊成奈米級(3-10 nm)的炸渣(Detonation Soot)。這種炸渣內含類鑽碳(Diamond Like Carbon或DLC)。這個製程與PVD法近似。前者乃藉氣體爆發將大量碳原子彼此撞在一堆,形成奈米微粒,後者乃藉電場將氣化的碳離子連續撞在基材上形成奈米微粒組合的薄膜。

爆炸法所用炸藥的碳份要高,而氧份及其他雜質要少(如TNT,RDX,HMX等)。這種炸藥在無氧的密閉腔體內引爆就可使殘存的碳在瞬間壓成炸渣,炸渣爲內含極多(約10%)雜質及缺陷的類鑽碳。由於顆粒極小(如411 m)。比表面積超高(量的雜質。如300 M2 / g),因此會吸附大量雜質。

因炸藥爆炸後轉化成鑽石的比率很低,加上奈米鑽石的清洗及分級所費不貲,因此這種產品只有特定的用途,如極精密的拋光,引擎活塞的表面入硬化,PVDD / CVDD的晶種等。由於價格偏高(如$ 3克拉),目前市場的需求不大。另一種爆炸法乃間接的以超音速震波來撞擊石墨,使其在瞬間轉化成微米級的鑽石。這種震波合成(Shock Synthesis)的方法由製造炸藥的美國杜邦公司(DuPont)在1960年試驗成功,並在1970年代開始量產。製造時先把石墨與銅粉(92%,1mm)混合均匀,然後以等靜法(Cold isostatic Pressing或CIP)壓製成長約五米的圓棒。圓棒以內含眞空隔層的鋼管密封。爆炸前數根鋼管爲一批量放在礦坑裏,再以數公頓的炸填塞在其週圍

當炸藥由一端點燃爆發後會把鋼管由一端在瞬間擠壓到另鋼管內的石墨在震波經過時會短暫壓到約20萬個大氣壓及加熱到千度以上。由於壓力極高,鑽石成核的數目甚多,在數微秒內部份的石墨會轉變成約1-20奈米的鑽石微晶(內含數千至數百萬個原子)。這些微晶會粘結成微米級的鑽石微粉。以這種方法每次可生產數公斤的鑽石微粉。震波通過後壓力會驟減。如果這時溫度仍高,生成的鑽石會立刻轉變成無晶形的碳渣。由於石墨內混入大量銅粒當做熱沈(Heat Sink),因此可將生成的鑽石微粉急速的淬火,避免其碳化。這種鑽石微粉經系列的酸洗溶除金屬後,再以PbO在400℃將石墨氧化。其後再經清洗分級即可成爲以Mypolex爲商標的産品。震波合成法的原料必須先行以冷等靜壓處理,使其密實。如果氣孔太多,震波壓縮後的壓力不足,而且溫度太高,不能達到鑽石穩定區,因此難以合成出鑽石。Mypolex鑽石爲含多量缺陷的多晶體。所以它的比表面積比同粒度碎磨而成的單晶大約三倍,因此可能吸付較多的雜質。但因其外形有如馬鈴薯,沒有單晶鑽石常有的尖銳稜角,因此在拋光時不致刮傷基材。在拋光軟硬交替的工件時,也不會造成窪陷的微坑。尤有進者,多晶的微粉可以逐漸崩裂,使切點的接觸面積減少。這種自銳的特性會使拋光的功率減小,但速率較高。多晶的微粉因此兼有大粒磨除的效率及小粒拋光的品質。

直接轉換成鑽石的石墨結構必須是六方(Hexagonal)或菱形(Rho- mbohedral)的才行。前者的排序爲AAA,可轉換成六方鑽石(Lon- sdaleite);後者的排序爲ABC,則可形成立方鑽石。一般的石墨大部份排序爲ABA…因此不能直接轉換成鑽石。但其內也含少量(10%)的菱形石墨。震波合成的鑽石轉化率低乃受到菱形石墨含量的限制。由於轉化率低,加上微粉酸洗分級手續繁雜,因此爆炸法所製造的鑽石成本高昂一般的價格多在碎磨單晶鑽石微粉的四倍以上。所以爆炸法的多晶鑽石雖然可在高速拋光而不虞刮傷工件,但11前只用在精密拋光如刮出硬碟的紋路或磨平磁頭的表面或高値拋光(如寶石或晶圓)上。全球每年的用量約一公噸,產值約一千萬美元。