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基础与趋势 1

第一篇 超硬材料基础与发展趋势 1

第1章 从地球科学到超硬材料 3

1.1高压技术概述 3

1.1.1动态高压与静态高压 3

1.1.2地球各圈层的温度和压力 5

1.1.3地球科学对静态高压和动态高压的启示 5

1.1.4天然金刚石的发现及其他 6

1.2动态高压与静态高压的基本标志 7

1.2.1压力分类 7

1.2.2静态高压和动态高压与超硬材料的实际概念 7

1.3静态高压的创始 8

1.3.1布里奇曼（Percy Williams Bridgman ，1882——1961）简述 8

1.3.2毛河光简述 9

1.4人造金刚石的探索与发明 9

1.4.1人造金刚石的探索 9

1.4.2人造金刚石的发明 10

1.5目前国内静态高压体系 10

1.5.1国家超硬材料重点实验室 11

1.5.2当前实验室在超硬材料方面已开展的工作及评述 11

1.6立方氮化硼和新超硬材料BCN 14

1.6.1超硬材料理论类型 14

1.6.2新型超硬材料——立方氮化硼的优异性能 14

1.7人造金刚石及立方氮化硼的品种类型 15

1.7.1人造金刚石 15

1.7.2立方氮化硼 18

1.7.3类超硬材料BCN 18

1.8结论 19

第2章 金刚石行业超高压技术的发展 20

2.1超高压技术的发展 20

2.1.1概述 20

2.1.2国外两面顶超高压技术的发展 21

2.1.3我国超高压技术的发展 22

2.1.4两种超高压技术的抉择问题 23

2.1.5结语 24

2.2中国超硬材料的现状与发展趋势 25

2.2.1人造金刚石发展形势 25

2.2.2超硬材料制品的发展状况及进展 27

2.2.3展望与思考 29

第3章 高品质人造金刚石现状与综合性能对比实验研究 31

3.1用动态观念分析超硬材料国际形势 31

3.1.1两大强霸改组转轨的动向 31

3.1.2其他国家停产、保产甚多 32

3.1.3技术实力还相当雄厚 32

3.2运用动态观念分析超硬材料国内形势 32

3.2.1 2003——2004年是六面顶大压机高速发展的时期 32

3.2.2 120 M Pa～ 125M Pa设计和需求明显增多 33

3.2.3六面顶直径600～650mm缸径压机将在今后几年成为主导设备 33

3.2.4大型规模化效应的驱动 33

3.2.5国际金刚石市场：中、高品级的金刚石需求正趋向中国 33

3.3中国的高品质人造金刚石 34

3.3.1高品质金刚石总的评述 34

3.3.2六面顶压机提高人造金刚石关键技术 34

3.3.3大顶锤技改后配套技术已完善 35

3.3.4粉末触媒工艺技术快速发展 35

3.4国内外中高档金刚石综合性能对比实验研究 35

3.4.1引言 35

3.4.2实验材料及方法 36

3.4.3结果与讨论 36

3.4.4结语 40

3.5金刚石行业应迎接新的挑战 40

超硬材料科学与技术 43

第二篇 超高压高温装备与高精度控制系统 43

第4章 铰链式六面顶超硬材料液压机 45

4.1概述 45

4.2国产铰链式六面顶超硬材料液压机的基本原理 47

4.2.1机械结构 47

4.2.2液压系统 49

4.3代表机型——CS-Ⅵ（HD）型6 × 20000kN六面顶液压机 52

4.3.1主要技术指标 53

4.3.2主要技术创新点 53

4.3.3各部机构要点 54

4.4结论 58

4.4.1国产铰链式六面顶超硬材料液压机的主要优点 58

4.4.2国产铰链式六面顶超硬材料液压机目前的主要问题 58

第5章 新型大压机制造中若干问题与如何提高压机制造吨位 60

5.1引言 60

5.2当前大压机发展现状及改进意见 60

5.2.1关于能力问题 60

5.2.2谈谈设计的基本构思 61

5.2.3关于设备加工精度问题 62

5.2.4关于压机吨位问题 62

5.2.5关于增压器问题 62

5.2.6关于油路系统问题 63

5.3对主机设计的几点看法 63

5.3.1关于浮动原理 63

5.3.2关于主机的兜底缸、球底缸和铰链梁 64

5.3.3关于密封件 65

5.4关于大型六面顶压机工作压力提高到120 M Pa～ 125 M Pa的建议 65

5.4.1引言 65

5.4.2设计125MPa六面顶的指导思想和主要依据 66

5.4.3 120M Pa～125MPa大型六面顶压机设计可靠性 68

5.4.4结语 69

5.5结论 70

第6章 具有中国特色的六面顶液压机的研制现状和优势 74

6.1中国超硬材料合成高压设备的发展 74

6.1.1两面顶、四面顶与六面顶 74

6.1.2 20世纪70年代多种形式液压机 75

6.1.3两面顶液压机与六面顶液压机之争 75

6.2目前六面顶压机高品质金刚石的基本评估 76

6.2.1 2005年的评述 76

6.2.2现阶段的评述 77

6.3六面顶金刚石液压机的优点 78

6.3.1六面顶金刚石液压机的一般性优点 78

6.3.2新式六面顶压机的优点 78

6.4国际已经全面认可的中国六面顶液压机 78

6.5压机大型化步伐加快 79

6.6六面顶压机设计制造工艺水平不断提高 79

6.6.1主机结构设计制造方面 80

6.6.2液压控制方面 81

6.6.3电气控制方面 81

6.7六面顶压机应用及其优势 82

6.7.1六面顶压机得到广泛应用 82

6.7.2六面顶压机所具有的优势 83

6.8六面顶压机进一步发展的趋势 83

6.9结论 84

第7章 大型压机高精度全自动微机电控及群控系统 85

7.1导言 85

7.2对系统压力要求采用变频动态补压方式 85

7.3对合成腔体内的温度控制要求非恒功率曲线控制 87

7.4控制系统设计原理 87

7.4.1小泵变频动态补压压力曲线控制原理 87

7.4.2加热非恒功率曲线控制原理 88

7.4.3有关A /D转换模块控制精度问题 88

7.4.4程序设计 89

7.5控制系统特点 89

7.6新型控制两台及多台（群控）系统 90

7.7使用效果 92

7.8结论 92

第8章 高压形成的重要构件——顶锤 93

8.1硬质合金顶锤质量的评价 93

8.2硬质合金顶锤成分与制作工艺的选择 94

8.3顶锤受力状态的研究 96

8.4大压机顶锤设计若干问题的思考 97

8.4.1合成腔体与设备吨位和使用顶锤顶面边长的关系 97

8.4.2顶锤小斜面的角度讨论 98

8.4.3顶锤底面直径与顶面边长的关系及数值的确定 98

8.4.4顶锤高度的确定 99

8.4.5顶锤小斜边长度的讨论 100

8.4.6结语 100

8.5大顶锤生产中应注意的若干问题 100

8.5.1压机大型化的主要趋势 100

8.5.2大型顶锤应运而生与技术改造 101

8.5.3大顶锤生产中应防范的三大问题 101

8.5.4结语 103

8.6当前降低顶锤消耗应注意的若干问题 103

8.6.1顶锤的失效处理和合理保护 103

8.6.2查顶锤受力不均因素 104

8.6.3查顶锤受热不均因素 105

8.6.4努力提高顶锤寿命，积极提高企业效益 105

第三篇 超硬材料合成主要原辅材料 111

第9章 传压介质——叶蜡石、白云石矿物学研究与作用分析 113

9.1合成金刚石生产中叶蜡石传压密封材料矿物学研究 113

9.1.1显微结构研究 114

9.1.2 X射线粉末衍射分析 114

9.1.3化学成分研究 114

9.1.4结果讨论 115

9.2白云石内衬材料在合成金刚石传压密封介质中的作用 116

9.2.1引言 116

9.2.2白云石内衬材料的组成 117

9.2.3白云石内衬材料的变化 117

9.2.4白云石内衬材料的作用 119

第10章 传压介质合成块研制的新进展 121

10.1关于叶蜡石和白云石及其他添加剂的基本要求 121

10.1.1叶蜡石成分要求 121

10.1.2白云石的基本要求 122

10.2混合型组装块 123

10.2.1整体型 123

10.2.2分体型 123

10.2.3复合分体型 124

10.2.4 NaCl分体型 124

10.2.5新式整体复合型 124

10.2.6几种组装的优缺点 125

10.3非立方体的叶蜡石块 125

10.3.1预密封边叶蜡石块 125

10.3.2粉压成型预密封边叶蜡石块 125

10.3.3长方体叶蜡石块 126

10.4传压介质的尺寸 126

10.5大型-超大型传压介质块 127

10.5.1大压机的大合成块 127

10.5.2目前≥Φ500mm缸径压机合成块系列 127

10.6结论 129

第11章 高压下传压介质稳定性的研究 130

11.1概述 130

11.1.1国外研究状况 130

11.1.2国内研究状况 131

11.2研究内容及方法 131

11.2.1研究内容 131

11.2.2研究方法 132

11.3化学分析结果 132

11.4岩石矿物鉴定和X射线衍射分析报告 133

11.4.1测试仪器及测试条件 133

11.4.2样品的制备 133

11.4.3矿粉的岩石矿物鉴定及X射线衍射分析 134

11.4.4结语 136

11.5合成金刚石试验效果 137

11.6结论 137

第12章 叶蜡石块焙烧排列新形式及焙烧工艺 138

12.1普通排列形式 138

12.2品字形与梅花形排列 139

12.3悬吊串珠式排列 139

12.4窑式焙烧新工艺 140

12.5多点测温是控制炉温均衡的关键技术 140

第13章 片状触媒的研究和应用 142

13.1引言 142

13.2多种片状触媒合金的研究 143

13.2.1 NiM nCo合金触媒 143

13.2.2 FeNiM n合金触媒 144

13.2.3 FeNiM nCo合金触媒 144

13.2.4镍-铜基多元触媒 145

13.3添加剂的选择及试验 145

13.3.1添加元素组分 145

13.3.2试验所用设备 146

13.3.3触媒生产工艺流程图 147

13.4方案选择 148

13.4.1添加剂组分的选择 148

13.4.2尽量采用低熔点的合金 148

13.4.3选用能增加渗碳溶碳作用的元素 149

13.5高真空熔炼与轧制工作的新工艺技术 149

13.5.1关于真空冶炼 150

13.5.2惰性气体的保护调整 150

13.5.3关于熔炼时间 150

13.5.4关于浇铸 150

13.5.5多次回火和清洗 151

13.5.6结语 152

13.6合成工艺的综合性试验及结果 152

13.7结论 153

第14章 合成金刚石用触媒作用机制及粉末触媒材料 154

14.1触媒的作用原理及分级评价体系 154

14.1.1触媒的作用原理 154

14.1.2触媒的催化能力及其分级 157

14.2合成金刚石用触媒材料 160

14.2.1触媒材料研究发展史 160

14.2.2工业金刚石合成触媒材料发展历程 161

14.2.3粉末触媒材料 163

14.3国内外触媒材料发展趋势 166

14.3.1活性大、成本低的铁基触媒材料 166

14.3.2低熔点触媒材料 166

14.3.3新型无机化合物触媒材料 167

14.3.4触媒材料粉末化 167

第15章 金刚石专用片状与粉状石墨研制进展 169

15.1人造金刚石用石墨的分类 169

15.2人造金刚石用石墨的制备 170

15.2.1关于片状组装用石墨片 170

15.2.2关于粉状组装合成金刚石用石墨粉 171

15.3石墨性能对人造金刚石合成的影响 172

15.3.1石墨纯度对合成金刚石的影响 172

15.3.2石墨的电阻系数对合成金刚石的影响 172

15.3.3石墨的体积密度、气孔率和机械强度对合成金刚石的影响 173

15.3.4石墨化程度高低对人造金刚石合成的影响 173

15.3.5石墨的显微结构对合成金刚石的影响 174

15.3.6粉状石墨的石墨化程度对合成金刚石的影响 175

15.3.7粉状石墨的含氧量对合成金刚石的影响 175

15.4新型发热保温石墨片 176

15.4.1合成腔内的轴向温差 176

15.4.2有效的电阻式发热保温碳片 176

15.5结论 177

第四篇 超硬材料组装原则与工艺 179

第16章 关于压机大型化以后叶蜡石及其组装设计应考虑的若干原则及其应用 181

16.1叶蜡石及其组装设计应考虑的若干原则 181

16.1.1安全性（不放炮或少放炮）原则 181

16.1.2叶蜡石块体积最小的腔体容积最大的原则 182

16.1.3发热量足够多与散热量最少原则 182

16.1.4散热量小与接触面大原则 182

16.1.5构件高精度原则 182

16.1.6叶蜡石块、白云石衬管等高密度原则 182

16.1.7大内压力与小系统压力原则 182

16.1.8密封性与传压性相结合原则 183

16.1.9腔体的径高比呈似球或扁球状原则 183

16.1.10尽量采用稳定区原则 183

16.1.11串联与并联联合运用原则 183

16.2对当前大压机超硬材料合成组装块若干问题的应用 184

16.2.1引言 184

16.2.2粉末触媒合成块直接加热式组装 184

16.2.3粉末触媒合成块间接加热式组装 185

16.2.4几点评述 187

16.3结论 189

第五篇 超硬材料形核理论与生长 191

第17章 人造金刚石成核条件与形核的中心理论 193

17.1成核的相关条件 193

17.1.1概述 193

17.1.2合成工艺参数对成核数量的影响 194

17.1.3升压升温过程对触媒结构及物相变化的影响 196

17.1.4讨论 197

17.1.5结语 198

17.2形核的中心理论 199

17.2.1概述 199

17.2.2实验与结果 199

17.2.3成核的反应中心理论 202

17.2.4结语 206

17.3关于粉末块成核的简单描述 206

第18章 影响金刚石形核因素与亚稳态成核的探讨 208

18.1引言 208

18.2金刚石形核的影响因素 208

18.2.1合成温度、压力条件 209

18.2.2 熔媒种类 209

18.2.3碳源种类 210

18.2.4其他因素 210

18.3金刚石形核热力学条件 210

18.4金刚石形核动力学条件 212

18.5金刚石合成的亚稳态成核 213

18.6金刚石成核的逆转化 214

18.7结论 215

第19章 金刚石单晶生长理论与技术 216

19.1影响金刚石单晶生长的主要因素 216

19.1.1压力因素 216

19.1.2温度因素 217

19.1.3时间因素 218

19.2金刚石单晶的慢速生长与匹配的快速生长 220

19.3金刚石单晶生长速率的讨论 221

19.4金刚石单晶生长的热力学及动力学 222

19.4.1金刚石单晶生长的热力学 222

19.4.2金刚石单晶生长的动力学 226

19.5结论 227

第六篇 相对低温低压理论及其应用 229

第20章 相对低温低压理论与优越性 231

20.1相对低温低压理论的提出和建立 231

20.1.1在金刚石相图上分析相对低温低压 231

20.1.2相对低温低压合成金刚石的热力学和动力学分析 233

20.2相对低温低压合成金刚石的优越性 240

20.2.1相对低温低压在设备上的优越性 240

20.2.2相对低温低压对提高顶锤寿命有益处 241

20.2.3相对低温低压对合成工艺有利 242

20.2.4相对低温低压对节能有利 242

20.2.5由于温度下降给节能带来的好处 243

20.2.6相对低温低压可采取的相应措施 244

20.2.7结语 244

第21章 在相对低温低压区间合成SMD级高品质金刚石工艺的研究 245

21.1概述 245

21.2合成试验条件 246

21.2.1高温高压设备系统 246

21.2.2合成原材料 246

21.3相对低温低压工艺的指导思想 246

21.4相对低温低压工艺的实施 247

21.4.1顶锤的选择 247

21.4.2叶蜡石与堵头的选择 247

21.4.3组装工艺选择 248

21.4.4合成工艺的选择 249

21.5合成效果与结论 250

21.5.1合成效果 250

21.5.2结语 252

第七篇 相对平衡理论及其应用 253

第22章 相对平衡理论的基础与实质 255

22.1历史回顾 255

22.1.1 20世纪60年代至80年代初 255

22.1.2 20世纪80年代至90年代初 256

22.1.3 20世纪90年代中后期——对中平衡新的认识时期 256

22.2大“三角形”与小“三角形”及“三线一点” 256

22.2.1一种新观念的提出 256

22.2.2新观念的空间图形 257

22.2.3在数学式上看大小三角形 257

22.2.4关于“三线一点” 258

22.2.5三个“中心”的空间关系 258

22.2.6三个中心的相对位置对设备和模具受力状态的影响 259

22.3相对平衡理论的实质 260

22.3.1相对平衡理论的初始 260

22.3.2相对平衡理论的实质问题 261

22.4相对平衡理论的发展 262

22.4.1长方柱叶蜡石块的应用 262

22.4.2大小顶锤在一个高压体系中的应用 262

22.4.3不同角度顶锤的组合使用 262

22.4.4不同形状顶锤的组合使用 263

22.5结论 263

第23章 相对平衡理论实际应用研究 264

23.1两面和整棒均匀生长是优质高产低耗的关键 264

23.2长方块在合成金刚石工艺中的研究 265

23.2.1打破固有“正方形” 265

23.2.2长方块的实验效果 266

23.3异形顶锤在合成金刚石工艺中的研究 268

23.3.1试验基本情况 268

23.3.2长方锤与长方块组合的试验效果 269

23.4结论 270

第24章 应用相对均衡压力将长方块在Φ400～500mm缸径压机上合成的试验研究 271

24.1相对均衡压力合成概述 271

24.2 Φ400mm缸径压机上的试验研究 272

24.2.1传压介质与顶锤的设计 272

24.2.2工艺试验方案 272

24.2.3与正方块对比 273

24.3 Φ500mm缸径压机上的试验研究 274

24.3.1传压介质与顶锤的设计 274

24.3.2工艺方案试验 274

24.3.3与普通正方块合成效果比较 274

24.4问题讨论 275

24.5结论 275

第八篇 压机大型化及合成新工艺 277

第25章 超硬材料压机大型化发展走势和出路 279

25.1压机继续大型化是逐势 279

25.1.1国外超硬材料压机大型化的发展状态 279

25.1.2我国超硬材料压机将会继续大型化 280

25.2我国当前金刚石压机发展新逐势 281

25.2.1当前≥Φ560mm缸径压机是主产压机 281

25.2.2超薄型工作缸的压机在研制 281

25.2.3 125M Pa大型压机正在试制 281

25.2.4无工作缸的压机被部分企业认可 281

25.3压机大型化的瓶颈 282

25.3.1压机大型化必须顶锤大型化 282

25.3.2顶锤大型化历来是金刚石行业发展的瓶颈 282

25.4中国顶锤大型化的出路在哪里 283

25.4.1中国压机大型化不能只走简单的增大顶锤重量之路 283

25.4.2组合顶锤走过的艰辛之路 283

25.4.3组合顶锤实用照片 283

25.4.4组合顶锤出现的现实意义 284

25.4.5展望 284

第26章 Φ500mm缸径压机粉末一体化大腔体合成工艺的研究 285

26.1引言 285

26.1.1概述 285

26.1.2项目来源 285

26.1.3预计实现目标 286

26.1.4本设计总体原则 286

26.2 Φ40mm腔体超高压系统的建立 286

26.2.1设备的选择 286

26.2.2传压介质块外部尺寸的设计 287

26.2.3顶锤的选用和设计 287

26.2.4组装方式设计 288

26.2.5工艺参数的估算 289

26.2.6加热系统及其他部件的设计 289

26.3 Φ40mm腔体几项主要性能的对比试验 290

26.3.1片状触媒与粉末触媒的对比 290

26.3.2组装上片状触媒与粉末触媒的对比 290

26.3.3直接加热与间接加热的对比 290

26.3.4粉末触媒暂停时间的延长对比 291

26.4 Φ40mm腔体的合成效果 291

26.4.1金刚石的TI与TTI 291

26.4.2金刚石的单产与颜色、透明度 292

26.4.3顶锤消耗的统计 292

26.4.4金刚石的实物照片 293

26.5结论 293

第27章 Φ560mm缸径与更大缸径大型压机扩大合成腔体的优化合成 295

27.1总体设计指导思想 295

27.1.1小压机有挖潜能力的应该继续挖 295

27.1.2目前的主力压机重点挖潜 295

27.2 Φ560mm缸径压机的优化设计 296

27.2.1 Φ560mm缸径压机的优选 296

27.2.2优化顶锤设计 297

27.2.3优化合成块设计 298

27.2.4优化腔体设计 299

27.3 Φ560mm缸径压机合成Φ46mm腔体的工艺设计 299

27.3.1金刚石合成工艺暂停压力的选用 299

27.3.2金刚石合成工艺暂停时间的选用 300

27.3.3金刚石合成工艺合成压力的选用 300

27.3.4金刚石合成工艺合成时间的选用 301

27.3.5合成工艺中温度（W）的对比 301

27.3.6合成工艺曲线图及工艺调整的几点说明 302

27.4 Φ560mm缸径压机的合成效果及分析 302

27.4.1合成粒度分布及粗粒粒度占有率 302

27.4.2高品质金刚石占有率及实际金刚石 303

27.4.3顶锤消耗 304

27.5 ≥Φ600mm缸径压机的试验 304

27.5.1更大压机的基本状况 304

27.5.2新开发大型压机基本参数及产量、质量 306

27.6结论与问题 307

第九篇 粗颗粒高品质金刚石 309

第28章 关于钻探用≥0.5mm单晶金刚石合成工艺的研究 311

28.1引言 311

28.2主要核心技术 312

28.2.1压机大型化 312

28.2.2组装新技术 312

28.2.3扩大腔体 313

28.2.4粉末触媒新技术 313

28.2.5合成配套新工艺 314

28.2.6合成工艺中温度（W）的对比 316

28.3研究后获得的主要指标 316

28.3.1单次产量 317

28.3.2金刚石平均抗压强度 317

28.3.3 TI、TTI值及其他 317

28.3.4合成棒样品 318

28.3.5金刚石质量对比 318

28.3.6顶锤消耗 319

28.4结论 319

第29章 获得高品质金刚石值得重视的若干问题 321

29.1慢速生长是获得优质高产高品级金刚石的关键 321

29.1.1人造金刚石晶体生长过程分析 321

29.1.2在金刚石相图上分析相对低温低压 322

29.1.3优质金刚石晶体生长的控制步骤及其影响因素 323

29.1.4慢速生长对合成金刚石系统的影响 324

29.1.5结语 324

29.2布拉维法则在优质高品级金刚石生长中的应用 325

29.2.1布拉维法则 325

29.2.2布拉维法则在高品级金刚石生长中的应用 325

29.2.3布拉维法则培养所需金刚石晶体 327

29.3人造金刚石生产中若干重要工艺控制要素及应用的一些规律 327

29.3.1若干要素与晶体生长作用的关系 327

29.3.2若干要素在金刚石合成中的作用 328

29.3.3大压机大腔体若干要素的一些新概念 330

29.4关于剪式合成法的一些问题 331

29.4.1剪式合成法的基本形式 331

29.4.2运用剪式合成法的试验 331

第十篇 粉末触媒与高品质金刚石 333

第30章 粉末触媒合成金刚石的新认识与研究进展 335

30.1对粉末触媒合成金刚石的新认识 335

30.1.1历史回顾 335

30.1.2粉末触媒合成金刚石工艺中值得注意的若干问题 336

30.1.3粉末触媒合成金刚石的特点与问题 337

30.2粉末触媒合成金刚石组装与供碳进展 338

30.2.1粉末触媒生产金刚石形势 338

30.2.2关于组装结构的设计及供碳方式 339

30.3对合成高品级金刚石原材料的新认识 340

30.3.1关于石墨 341

30.3.2关于触媒（Fe基） 341

30.3.3关于衬管材质 341

30.4关于粉末触媒合成金刚石的工艺 341

30.4.1关于升温压力 341

30.4.2关于暂停时间 342

30.4.3关于合成时间 342

30.4.4关于双台阶合成压力 342

30.5目前合成腔体开发系列 342

30.6关于一些合成效果 343

30.6.1合成效果 343

30.6.2合成块经济技术指标 344

30.6.3产品特点 344

30.7建议 345

第31章 大腔体粉末触媒合成金刚石工艺特点和判断方法及效果 346

31.1粉末触媒合成金刚石工艺流程 346

31.2粉末触媒合成金刚石 346

31.2.1粉末触媒合成金刚石的特征 346

31.2.2粉末触媒合成特征对比 347

31.2.3粉末触媒合成金刚石质量好的根本原因 348

31.2.4颗粒均匀、粒度集中又一主要原因 348

31.3粉末触媒合成工艺特点 348

31.4粉末触媒合成金刚石判断之一——合成棒的整体观察现象 349

31.5粉末触媒合成金刚石判断之二——粉末触媒合成棒中金刚石在石墨中的裸露现象 351

31.5.1以（111）发育略大于（100）为特征 352

31.5.2以（100）与（111）相等发育为特征 352

31.6粉末触媒合成金刚石判断之三——粉末触媒合成棒观察要领 353

第32章 大型压机应用粉末触媒合成优质高产金刚石新工艺 355

32.1引言 355

32.2国内外研究现状和发展趋势 356

32.2.1国外研究状况 356

32.2.2国内研究状况 356

32.3研制指标 356

32.4研制情况 357

32.4.1试验基本条件 357

32.4.2原材料 357

32.4.3组装形式 357

32.4.4叶蜡石焙烧形式 358

32.4.5主要合成工艺参数 358

32.5典型试验与验证 358

32.5.1月台机产试验 358

32.5.2一个机台组三个月金刚石生产验证 359

32.6生产试验指标与任务下达指标的对比 359

32.6.1单产 359

32.6.2 SMD单产 360

32.6.3顶锤消耗 360

32.6.4质量指标 360

32.7粉末触媒合成金刚石相关问题讨论分析 360

32.7.1粉末触媒合成金刚石是一系统工程 360

32.7.2粉末触媒合成金刚石全工艺流程 361

32.7.3粉末触媒合成金刚石特征对比 361

32.7.4粉末触媒合成金刚石“燕尾式”工艺的有关讨论 362

第十一篇 金刚石特殊晶体形态合成 365

第33章 从几何晶体到“方晶”与八面体金刚石合成 367

33.1引言 367

33.1.1单形的基本概念 367

33.1.2几何结晶学中的47种单形 368

33.1.3金刚石晶体形态的基本概念 368

33.2“方晶”的简介 371

33.3“方晶”在相图上的位置及划级 372

33.3.1“方晶”在相图上的位置 372

33.3.2“方晶”的划级 373

33.4“方晶”调整的关键指导技术方案 373

33.4.1压力较高时如何找“脊线” 373

33.4.2压力比较合适时如何找“脊线” 374

33.4.3压力较低时如何找“脊线” 374

33.5在合成棒中如何判断“方晶” 374

33.5.1合成棒观察的位置 375

33.5.2金刚石合成片温度的观察 375

33.6有关试验结果与结语 375

33.6.1有关试验结果 375

33.6.2结语 376

33.7八面体金刚石的特征及合成 376

33.7.1腔体结构 376

33.7.2八面体金刚石合成材料 377

33.7.3八面体金刚石的合成工艺 377

33.7.4八面体金刚石的合成结果 377

33.7.5结语 378

第34章 细-微细颗粒优质金刚石合成新工艺的研究 379

34.1概述 379

34.1.1细-微细粒金刚石的用途 379

34.1.2细-微细粒金刚石的范围 379

34.2细-微细金刚石形核的控制特点 380

34.3关于组装结构的设计及供碳方式 381

34.3.1组装结构的设计 381

34.3.2粉末触媒的供碳形式 382

34.3.3 Φ38mm腔体细料结构设计 382

34.4合成工艺的特点 382

34.4.1工艺要求 382

34.4.2温度、压力设置 383

34.5合成细-微细金刚石六面顶压机的优势 383

34.6结论 383

第35章 粗大颗粒金刚石与单晶大颗粒金刚石的研究与开发 384

35.1概述 384

35.2优质粗大颗粒单晶与单晶大颗粒金刚石的合成 385

35.2.1优质金刚石生长区间 385

35.2.2合成金刚石的原材料 387

35.2.3单晶大颗粒金刚石合成的温度梯度法 387

35.2.4粗大颗粒单晶金刚石合成的控制 388

35.3粗大颗粒金刚石的开发 389

35.3.1粉末触媒合成粗颗粒金刚石 389

35.3.2单晶大颗粒金刚石的慢速生长与适度加快 389

35.3.3粗大颗粒金刚石与单晶大颗粒金刚石的应用 390

第十二篇 金刚石包裹体与连聚晶 393

第36章 晶体包裹体与人造金刚石中气态和固态包裹体 395

36.1自然界中晶体包裹体研究概述 395

36.1.1自然界中研究包裹体的意义 395

36.1.2包裹体的定义 395

36.1.3自然界中包裹体的分类 396

36.1.4研究矿物（晶体）包裹体与系统中参数的关系 396

36.2超硬材料中包裹体的研究 397

36.2.1金刚石中包裹体类型的认识 397

36.2.2金刚石中包裹体含有量的影响 397

36.2.3对金刚石生长速率的研究深化 398

36.2.4金刚石中包裹体的危害认识 398

36.3超硬材料中包裹体的主要类型 398

36.3.1金刚石中包裹体成分上的分类 398

36.3.2金刚石成分上具体几种类型 399

36.4金刚石中包裹体形态上的分类 399

36.4.1金刚石包裹体的基本形态 400

36.4.2气态包裹体的基本形态 400

36.4.3石墨包裹体的基本形态 401

36.4.4金属包裹体的基本形态 401

36.5超硬材料中包裹体的危害 401

36.5.1对金刚石性能的影响 402

36.5.2金刚石气态包裹体的危害 403

36.5.3金刚石固态包裹体的危害 404

36.6超硬材料中包裹体的成因分析与消除 404

36.6.1不同包裹体成因分析 404

36.6.2消除不同包裹体的基本方法 405

36.7结论 405

第37章 金刚石连聚晶成因的理论分析 407

37.1研究连聚晶问题的目的及分类 407

37.1.1研究连聚晶的目的 407

37.1.2连聚晶的分类及特征 408

37.2金刚石连聚晶合成工艺机理分析 408

37.2.1连聚晶形成的原因 408

37.2.2连聚晶的消除 409

37.3金刚石合成片中连聚晶样品制备和结构 409

37.4包覆在金刚石生长表面层金属膜的结构及组成研究 410

37.5人造金刚石连聚晶成因机制探讨 410

37.6结论 411

第十三篇 绿色环保提纯与产品质量检测 413

第38章 人造金刚石绿色环保型提纯新技术与装置 415

38.1引言 415

38.2人造金刚石提纯技术原理 416

38.3人造金刚石提纯技术研究现状 416

38.4 FR系列提纯新技术 417

38.4.1 FR系列提纯新技术的概况 417

38.4.2 FR系列提纯工艺流程 418

38.4.3 FR系列大型电解装置 418

38.4.4 FR系列几种电解液效果对比 419

38.4.5清除石墨反应器与净化器 420

38.4.6废水处理 420

38.5不同电解方法的对比 421

38.6结论 422

第39章 金刚石质量采用电脑检测系统的研究与应用 423

39.1引言 423

39.2测量方法 424

39.3测量流程 426

39.4参数的设定与检测 426

39.4.1粒径（Size值）的检测 426

39.4.2晶形参数的检测 426

39.4.3工业金刚石的光学特性 429

39.5结论 432

超硬材料制品新技术新应用 433

第十四篇 超硬材料制品新技术 433

第40章 金刚石工具用预合金粉末制备研究进展 435

40.1预合金粉末制造方法及其特点 435

40.2国外预合金粉末研究现状 436

40.2.1 Eurotungstone公司NEXT、Keen预合金粉 436

40.2.2 Dr.Fritsch公司预合金粉末 437

40.2.3 Umicore公司Cobalite系列预合金粉末 438

40.3国内预合金粉末研究现状 439

40.3.1有研粉末新材料有限公司YHJ系列预合金胎体粉末 439

40.3.2安泰科技股份有限公司Follow系列预合金胎体粉末 439

40.3.3国产预合金粉末综合性能 440

40.4预合金粉的性能评价 441

40.5发展与展望 443

第41章 当前金刚石工具制造中几种重要方法 444

41.1激光焊接金刚石圆锯片的研究进展 444

41.1.1引言 444

41.1.2激光焊接金刚石圆锯片的特点 444

41.1.3激光焊接金刚石圆锯片的影响因素 445

41.1.4激光焊接与高频焊接金刚石圆锯片的效果 447

41.1.5结语 448

41.2钎焊金刚石工具制备的研究现状和进展 448

41.2.1引言 448

41.2.2金刚石钎焊料研究现状 450

41.2.3金刚石钎焊专用设备 450

41.2.4金刚石钎焊工艺研究现状 451

41.2.5结语与展望 452

41.3金刚石有序排列及择优取向工具的制备方法 453

41.3.1引言 453

41.3.2金刚石有序排列及择优取向工具的优越性 453

41.3.3金刚石在工具中均匀分布的实施方法 454

41.3.4金刚石有序排列及择优取向工具的应用 457

41.3.5结语 458

41.4结论 459

第42章 电镀镍-铁和铁基金刚石钻头的研究 461

42.1金刚石钻头镀前准备 461

42.1.1钻头钢体加工与准备 461

42.1.2有机溶剂除油 462

42.1.3绝缘处理 462

42.1.4电化学除油 462

42.1.5弱腐蚀 463

42.1.6电镀过程 463

42.1.7电镀金刚石钻头的后处理 464

42.2电镀镍-铁合金胎体钻头 464

42.2.1镍-铁合金的特点 464

42.2.2镍-铁合金镀液基本配方与工艺 465

42.2.3镀液成分对镀层质量的影响 465

42.2.4电镀镍-铁合金试验研究方法 471

42.2.5电镀镍-铁胎体钻头试验 473

42.3不对称交-直流常温电镀铁基钻头 473

42.3.1特点与优越性 473

42.3.2铁的电解液的类型 474

42.3.3低温氯化物镀液工艺配方 475

第43章 应用表面理论和技术进行金刚石表面镀覆及应用 480

43.1金刚石化学镀和电镀Ni、Cu 481

43.2金刚石镀覆刺状刚玉 481

43.3金刚石真空镀覆亲和性金属 482

43.3.1真空物理气相沉积 482

43.3.2真空化学气相沉积 483

43.3.3真空微蒸发镀 483

43.4金刚石准原子层沉积 485

43.5结论 487

第十五篇 超硬材料制品新应用 491

第44章 热压金刚石钻头在硬岩大口径取心钻进中的应用 493

44.1科学钻探与中国大陆科学钻探 493

44.1.1科学钻探的目的任务 493

44.1.2国际科学钻探的若干资料 494

44.1.3中国大陆科学钻探 494

44.1.4中国人造金刚石立大功 495

44.2大口径金刚石钻头的研制 495

44.2.1基本思路 495

44.2.2钻头的设计依据 496

44.3钻头试验设计 498

44.3.1配方均匀设计 498

44.3.2钻头胎体配方及均匀设计步骤 498

44.3.3试验方法 499

44.3.4试验结果与分析 500

44.4热压钻头在科钻一井的应用 502

44.4.1科钻一井的岩性 502

44.4.2科钻一井的钻进条件 503

44.4.3钻头结构设计 503

44.4.4钻头的胎体性能设计 504

44.4.5金刚石参数 505

44.4.6超细预合金粉的应用 505

44.5金刚石钻头制造 506

44.5.1配料与组装 506

44.5.2烧结 506

44.6钻头的使用效果 507

第45章 关于cBN砂轮性能、应用与特点的探讨 508

45.1 cBN结构与性能 508

45.2 cBN磨具的特点与分类 510

45.2.1 cBN磨具主要特点 510

45.2.2 cBN砂轮的分类 510

45.3 cBN磨具的主要性能特征 511

45.4树脂结合剂cBN磨具 513

45.4.1树脂结合剂及其性能要求 513

45.4.2树脂结合剂cBN砂轮的制造工艺 514

45.4.3树脂结合剂cBN砂轮的特点及应用 514

45.5陶瓷结合剂cBN砂轮 515

45.5.1陶瓷结合剂主要性能 515

45.5.2陶瓷结合剂cBN砂轮的特点及应用 517

45.5.3 cBN陶瓷磨具的发展趋势 517

45.6金属结合剂cBN砂轮 518

45.6.1单层电镀和金属单层cBN砂轮的特点 518

45.6.2两种砂轮的磨削性能 519

第46章 积极研发半导体工业硅材料加工用金刚石工具 525

46.1引言 525

46.1.1半导体工业 525

46.1.2半导体工业的芯片加工工艺流程 526

46.2半导体加工所需的金刚石工具——修整器 527

46.2.1化学机械抛光垫修整器 527

46.2.2镍电镀型修整器 528

46.2.3高温真空钎焊修整器 530

46.2.4陶瓷基体陶瓷结合剂修整器 532

46.2.5 PCD（聚晶金刚石）修整器 533

46.3其他的金刚石工具 534

46.3.1单晶锭的裁切与晶圆切片——线切割（Slicing） 534

46.3.2晶圆倒角与圆边 536

46.3.3晶圆背面减薄超精密磨削 536

46.3.4晶圆（芯片）划片（dicing） 537

46.4结论 537

第47章 金刚石串珠绳锯的研究与开发 539

47.1概述 539

47.2金刚石串珠绳锯的构成与制造 540

47.2.1金刚石串珠绳锯的构成 540

47.2.2金刚石串珠绳锯的制造技术 541

47.3金刚石串珠绳锯的应用与开发 543

47.3.1金刚石串珠绳锯的应用领域 543

47.3.2金刚石串珠绳锯的研究现状及存在的问题 544

47.3.3我国金刚石串珠绳锯的发展状况 544

47.3.4金刚石串珠绳锯的发展趋势 545

47.3.5展望 545

第48章 超硬材料砂轮的现状与进展 547

48.1概述 547

48.2超硬材料砂轮的分类 548

48.2.1按使用超硬材料品种分类 548

48.2.2按使用超硬材料粒度、品级分类 549

48.2.3按超硬材料砂轮使用的黏结剂分类 549

48.2.4按超硬材料砂轮制作方法分类 549

48.2.5按磨具的结构与用途分类 549

48.3超硬材料砂轮的工作原理 549

48.3.1磨粒切入过程 549

48.3.2磨粒上的作用力 550

48.4超硬材料砂轮的应用 552

48.4.1硬质-超硬质材料加工 552

48.4.2汽车工业 553

48.4.3电子-微电子工业 554

48.4.4航天航空工业 554

48.5超硬材料砂轮研究动向 555

48.5.1超硬材料砂轮的研究新动向 555

48.5.2新型结合剂的研究新动向 555

48.5.3 cBN砂轮的新技术与进展 556

第49章 CVD金刚石及刀具研究和开发 558

49.1概述 558

49.2 CVD金刚石涂层刀具 559

49.2.1 CVD金刚石涂层刀具的关键技术问题 559

49.2.2 CVD金刚石涂层刀具硬质合金基体预处理技术 560

49.2.3金刚石膜结构的改进 564

49.2.4 CVD金刚石涂层刀具的应用开发 565

49.2.5结语与展望 568

49.3 CVD金刚石厚膜焊接刀具 568

49.3.1 CVD金刚石厚膜焊接刀具制造技术 568

49.3.2 CVD金刚石厚膜刀具应用开发 575

49.3.3结语与展望 577

第50章 PCD刀具材料及应用 580

50.1引言 580

50.2 PCD刀具材料的性能 580

50.2.1极高的硬度和耐磨性 581

50.2.2低的摩擦系数和高的弹性模量 581

50.2.3好的导热性和低的热膨胀系数 581

50.2.4刃口锋利且刃面粗糙度小 581

50.3 PCD刀具材料的研究现状 582

50.3.1金刚石复合片发展概述 582

50.3.2金刚石复合片的发展方向 583

50.4 PCD刀具制造工艺 584

50.4.1 PCD复合片的切割 584

50.4.2 PCD刀片的焊接 585

50.4.3 PCD刀片的刃磨 585

50.5 PCD刀具的设计及使用技术 587

50.5.1 PCD刀具的结构形式 587

50.5.2刀具几何参数设计 588

50.5.3切削用量的选择 588

50.6 PCD刀具的应用 589

50.6.1加工非铁金属材料 590

50.6.2加工非金属材料 593

50.7发展与展望 595

第51章 PcBN刀具材料及应用 597

51.1 PcBN刀具材料的特点与应用范围 597

51.1.1 PcBN刀具材料的特点 597

51.1.2 PcBN刀具材料的应用范围 599

51.2 PcBN刀具材料的分类、型号与性能 600

51.2.1有结合剂的PcB N 601

51.2.2纯PcBN 602

51.2.3表面镀覆PcB N 603

51.3 PcBN刀具材料微结构表征 604

51.4 PcBN刀具材料烧结过程及机理 608

51.4.1 Al及Al的化合物作为黏结剂 608

51.4.2 Ti及其化合物作黏结剂 609

51.4.3 Al、Ti及其化合物作黏结剂 609

51.4.4其他黏结剂 610

51.5 PcBN刀具的设计与制造工艺 611

51.5.1 PcBN刀具设计 611

51.5.2 PcBN刀具制造工艺 613

51.6 PcBN刀具应用 614

51.6.1切削用量的优选原则 614

51.6.2 PcBN刀具应用举例 616

51.7结论 621

超硬材料研究未来 625

第十六篇 开发的其他新超硬材料 625

第52章 发展为钻采业应用的复合片（PDC）、聚晶（PCD） 627

52.1国内外金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）的研制情况 627

52.2金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）在钻采业中的应用 629

52.3提高金刚石复合片（PDC）、聚晶（PCD）质量的主要方法 631

52.3.1采用合理制作设备 631

52.3.2设计合理的合成腔体组装结构 631

52.3.3采用最佳的黏结剂和组分配比 631

52.3.4消除残余应力，提高金刚石与WC/Co衬底结合强度 632

52.3.5采取多种措施，改进PDC性能 634

52.4结论 635

第53章 CVD金刚石生长与技术 637

53.1概述 637

53.2 CVD金刚石生长科学 637

53.2.1反应气体 638

53.2.2激活过程 638

53.2.3气相反应与生长先驱体 639

53.2.4气相运输和表面间相互作用 640

53.2.5 CVD金刚石在非金刚石基体上的形核 640

53.2.6生长机理与生长速率 641

53.3 CVD金刚石沉积技术 641

53.3.1热丝辅助化学气相沉积（HFCVD） 642

53.3.2微波等离子辅助化学气相沉积（MPACVD） 642

53.3.3燃烧火焰辅助化学气相沉积（CFCVD） 643

53.3.4电弧喷射等离子辅助化学气相沉积（AJCVD） 643

53.3.5表面波持续放电辅助化学气相沉积（SWCVD） 643

53.4研制CVD金刚石厚膜的效果 644

第54章 发展中的纳米金刚石新技术 647

54.1纳米材料与纳米金刚石 647

54.2纳米金刚石的制造合成技术 648

54.2.1纳米金刚石制造方法分类 648

54.2.2爆压爆温的作用 649

54.2.3爆炸容器容积 649

54.2.4炸药粒度与得率的关系 649

54.2.5马赫效应药 649

54.2.6装药与介质 650

54.3物性的分析与研究 650

54.3.1元素成分分析 650

54.3.2 X射线衍射分析 650

54.3.3透射电镜分析 651

54.3.4激光Raman分析 651

54.3.5红外光谱 652

54.3.6纳米金刚石的结构模型 653

54.4爆轰合成纳米金刚石的机理探讨 653

54.5纳米金刚石的应用 654

54.5.1滑润技术 654

54.5.2增强技术 655

54.5.3研磨与抛光 655

54.5.4电镀技术 656

54.5.5烧结与合成技术 657

54.5.6解团聚与分散技术 658

第55章 cBN研究新进展 660

55.1历史的简要回顾 660

55.2 cBN单晶发展现状 661

55.3化学反应制备cBN晶体 663

55.4 cBN单晶膜的外延生长 665

55.5 cBN晶体功能特性研究 666

第十七篇 超硬材料研制未来 673

第56章 金刚石电化学性能 675

56.1含硼金刚石薄膜电极 675

56.1.1含硼金刚石薄膜电极的制备 676

56.1.2含硼金刚石薄膜电极的电化学性能 676

56.1.3含硼金刚石薄膜电极的应用 678

56.2其他类型金刚石电极 679

56.2.1含硼金刚石粉末电极 680

56.2.2高压合成的含硼金刚石聚晶电极 681

56.2.3纳米金刚石电极 682

56.3结论 683

第57章 新金刚石的制备方法、晶体结构及应用研究现状 685

57.1新金刚石的制备方法 685

57.1.1射频等离子体CVD法 685

57.1.2石墨冲压快冷法 685

57.1.3冲压C60法 686

57.1.4高温高压法 686

57.1.5爆炸法 686

57.1.6碳等离子体沉积法 686

57.1.7氢等离子体退火金刚石表面法 686

57.1.8碳离子注入硅片退火法 687

57.1.9炭黑催化法 687

57.1.10催化碳纳米管法 692

57.2新金刚石晶体结构模型 692

57.2.1 Hirai模型 692

57.2.2面心立方结构 693

57.2.3 Glitter结构 693

57.2.4“缺陷金刚石”晶体结构模型 694

57.2.5新金刚石的“乱层金刚石”晶体结构模型 696

57.3新金刚石的性质及应用展望 699

57.3.1新金刚石稳定性实验 699

57.3.2新金刚石的电子结构 701

57.3.3炭黑催化产物电磁吸波性能实验研究 702

57.3.4炭黑催化产物/石蜡复合材料电磁吸波性能的计算机模拟 704

第58章 化学反应新方法获得金刚石的进展 707

58.1金刚石的性能 707

58.2几种人工合成金刚石的发展 708

58.2.1高温高压法（HPHT）合成金刚石 709

58.2.2低压法合成金刚石 709

58.2.3水热、溶剂热等其他合成技术 711

58.3化学反应新方法合成金刚石 711

58.4化学反应新方法合成金刚石机制探讨 713

58.5对天然金刚石起源的新探 714

58.6化学反应法获得金刚石的价值与意义 714

第59章 单晶大颗粒金刚石的研究与应用 716

59.1大颗粒金刚石的基本特征 716

59.2国内外大颗粒金刚石的研发与现状 717

59.2.1国外大颗粒金刚石的研发与现状 717

59.2.2国内大颗粒金刚石的研发与现状 718

59.2.3 CVD法金刚石单晶的研制 719

59.3生长大颗粒金刚石的关键技术 719

59.3.1高温高压温差法的关键技术 719

59.3.2直接合成法进行的探索 720

59.4单晶大颗粒金刚石的应用 721

59.4.1在珠宝首饰方面的应用 721

59.4.2在工程领域的应用 721

59.4.3在功能性质方面的应用 722

59.5结论 723

第60章 类超硬材料与亚超硬材料新探索 724

60.1类超硬-亚超硬材料的回顾与现状 724

60.1.1新型亚超硬-超硬材料 725

60.1.2其他新型超硬材料 726

60.2分析与讨论及晕圈图的建立 727

60.2.1亚-亚超硬材料的分类与讨论 727

60.2.2超-亚超硬材料晕圈图的建立 727

60.3类超硬材料与亚超硬材料设计 728

60.3.1从装备上、方法上进行设计 728

60.3.2从复合材料上进行设计 729

60.3.3理论上的突破，设计新的亚超硬材料 730

60.3.4充分运用计算机技术模拟设计新的亚超硬材料 730

60.4结论与展望 730

方啸虎的主要学术工作与观点和理论 732

主要编著者简介 746

后记 748