超硬炭材料（簡體書）

本書對超硬炭材料（包括金剛石與立方氮化硼）的發展、超硬炭材料的性能、靜（動）態高壓合成技術、低壓合成技術、金剛石工具的製備與應用、納米金剛石的合成與應用、新型金剛石的探索做了較為全面、系統的闡述，可以作為高等院校學生教材，或者作為科研人員參考用書。

王艷輝
男，1963年2月出生，博士學位，燕山大學材料學院任教。
教授，博士生導師，從事金剛石及相關材料領域教學科研工作20餘年。
承擔了國家重點科技攻關、國家自然科學基金和河北省自然科學基金等科研項目，完成的創新性成果主要包括金剛石、立方氮化硼真空微蒸發鍍覆技術；剛玉塗覆的金剛石、立方氮化硼；微納粉體表面修飾及鍍覆技術；超硬工具用納米陶瓷結合劑；納米金剛石電極材料及電化學研究等，在金剛石及相關材料表面鍍覆及工業化應用等領域取得了一批國際公認的研究成果，達到國際領先水平，在金剛石表面鍍覆領域形成了系統理論。在《Nanoletters》等著名期刊發表發表論文100餘篇，SCI收錄論文80篇，並被國內外論文多次引用。獲得多項發明專利，獲得省部級科技進步獎5項。研究成果獲得了廣泛的工業化應用，如國內外首創、處於國際領先水平的“真空微蒸發鍍覆”技術，形成了專業設備和原材料，在國內外獲得了普及應用，獲得了顯著的技術進步和經濟效益。

我國的一個高新技術產業——超硬材料，以金剛石為代表。

金剛石是碳的同素異形體，但與石墨等sp2碳原子結合而成的炭材料不同的是，金剛石是由sp3雜化碳原子通過共價鍵結合的晶體，其獨特的結構賦予金剛石很多極限物理化學性質，包括最高的硬度、最高的熱導率、最高的色散以及極其穩定的化學性質等。
金剛石是目前已知的世界上最硬的物質，合成的立方氮化硼晶體結構與金剛石類似，硬度僅次於金剛石，這兩種材料被稱為超硬材料。遠高於其他材料的硬度使超硬材料成為性能優異的工具材料，尤其是在加工硬質材料方面，具有可比擬的優越性。硬度之外的一些極限物理化學特性，包括極高的熱導率、優異的化學穩定性等，使其成為重要的功能材料，在光學、電學、熱學方面具有極大的發展潛力，例如，金剛石的熱導率是所有材料中最高的，是極佳的熱沉材料，同時由於金剛石電阻率高，可作為集成電路基片和絕緣層以及固體激光器的導熱絕緣層；金剛石在從紫外到遠紅外整個波段都具有高的透過率，是大功率紅外激光器和探測器的理想窗口材料；其折射率高，可作為太陽能電池的反射膜；含硼金剛石是寬禁帶半導體材料，可用於高功率、高頻及高溫電子器件，激光器,探測器等；結合其良好的化學穩定性，可以成為高穩定電極材料，應用於電分析、電合成、電催化以及污染物檢測及降解等領域；金剛石能耐各種溫度下的非氧化性酸，與血液和其他流體不起反應，因此它又是理想的醫學生物體植入材料，結合其極低的摩擦係數，金剛石可以做心臟瓣膜、人工關節等。集如此多的優異性能於一身的材料，正是科技工作者所期望的，也因此近年來金剛石吸引了眾多研究者的廣泛關注。
天然金剛石在自然界中極其罕見，也因此鑽石成為最貴重的寶石。金剛石的廣泛應用得益於人工合成金剛石技術的發展。自20世紀50年代，高壓合成第一顆金剛石以來，金剛石及相關材料獲得了突飛猛進的發展。21世紀以來，隨著高壓合成技術以及低壓化學氣相沉積技術的快速發展和進步，寶石級大單晶及大尺寸的金剛石薄膜的商品化，使得超硬炭材料的發展進入了一個新的階段。
本書作者在大量閱讀國內外相關文獻的基礎上，結合自身長期的科研、教學工作，對超硬材料合成技術與方法、超硬材料性能、超硬材料工具以及超硬材料在功能材料領域的應用等進行了系統闡述，同時對金剛石複合材料的界面問題、金剛石表面鍍覆改性的理論和方法；納米金剛石的電化學性質和在電化學領域的應用；以及極硬納米孿晶金剛石等新型金剛石的合成等一批最新科研成果做了重點介紹。力圖通過此書使超硬材料被更多的讀者所了解，激發大家對超硬炭材料的研究興趣，也為超硬炭材料領域的同行提供參考，為有志於從事本專業工作的高等院校的學生提供系統的教材。希望我們的工作可以為超硬炭材料的發展做出微薄的貢獻。但由於作者水平有限，書中不可避免存在錯誤與缺陷，懇請讀者批評指正。
本書共分為12章，全書由王艷輝、臧建兵主編並統稿，其中第1章及第10、11、12章由王艷輝編著，第2、3、6、8章由臧建兵編著，第4章由張書達編著，第5章由董亮編著，第7章由成曉哲編著，第9章由溫斌編著。在撰稿過程中，得到了常銳、張艷、趙玉玲、賈影丹、賈少培等的大力幫助，在此一併表示感謝。

編著者
2017年5月

第1章緒論1
1.1超硬材料的發展1
1.1.1金剛石的發現1
1.1.2合成金剛石的發展2
1.2超硬材料的性能和應用4
1.2.1磨料及工具4
1.2.2金剛石功能材料5
1.3其他超硬材料7
參考文獻8
第2章金剛石的結構和性能10
2.1金剛石的化學組成10
2.2金剛石的結構12
2.2.1碳的原子結構12
2.2.2金剛石的晶體結構14
2.2.3金剛石晶體形貌15
2.3金剛石的化學性質17
2.3.1金剛石的氧化性17
2.3.2金剛石的石墨化18
2.3.3金剛石的化學穩定性18
2.3.4金剛石與過渡金屬的化學反應18
2.4金剛石的機械性質18
2.4.1金剛石的硬度、耐磨性18
2.4.2金剛石的解理20
2.4.3金剛石的強度21
2.4.4金剛石的彈性模量22
2.5金剛石的物理性質23
2.5.1金剛石的熱學性質23
2.5.2金剛石的光學性質24
2.5.3金剛石的電磁性質26
參考文獻27
第3章靜壓催化劑法合成金剛石29
3.1靜壓催化劑法合成金剛石的機理30
3.1.1固相直接轉變機理30
3.1.2溶劑說32
3.1.3催化劑說33
3.1.4熔媒說33
3.2石墨-金剛石相變的熱力學和動力學34
3.2.1碳的相圖34
3.2.2金剛石晶粒的形成與長大35
3.2.3金剛石晶體生長與外部條件的關係39
3.3高壓設備介紹40
3.3.1兩面頂壓機41
3.3.2六面頂壓機42
3.4高溫高壓的產生和測量44
3.4.1高壓的產生和測量44
3.4.2高溫的產生和測量45
3.5金剛石合成的原輔材料46
3.5. 1密封材料與傳壓介質46
3.5.2石墨材料48
3.5.3催化劑材料51
3.6靜壓催化劑法合成工藝53
3.6.1合成塊組裝53
3.6.2金剛石合成典型工藝55
3.6.3合成棒現象分析59
3.7金剛石的提純、分選與檢測61
3.7.1金剛石的提純61
3.7.2金剛石的分選64
3.7.3金剛石的質量檢測67
參考文獻70
第4章動態高壓合成金剛石72
4.1動壓法合成金剛石的發展史72
4.2動態高壓合成金剛石基礎74
4.2.1碳的相圖74
4.2.2碳的雨貢紐狀態方程74
4.2.3爆轟法合成納米金剛石78
4.2.4爆炸法合成微米金剛石和多晶納米金剛石78
4.3爆炸法合成金剛石80
4.3.1爆炸法合成的主要裝置80
4.3.2爆炸法合成的工藝81
4.3.3金剛石的提純83
4.3.4爆炸法合成的金剛石晶體結構及性能83
4.4爆轟法合成納米金剛石85
4.4.1爆轟法合成納米金剛石的主要裝置85
4.4.2爆轟法合成的工藝87
4.4.3納米金剛石的提純88
4.4.4爆轟納米金剛石結構及性能90
4.5納米金剛石的應用97
4.5.1超精密拋光97
4.5.2納米金剛石潤滑油99
4.5.3納米金剛石複合鍍層100
4.5.4納米金剛石塗料101
4.5 .5納米金剛石複合材料101
4.5.6納米金剛石在醫藥衛生領域的應用102
參考文獻102
第5章低壓合成金剛石107
5.1低壓合成金剛石的發展概況107
5.1.1金剛石薄膜的發展概況107
5.1.2金剛石薄膜的合成方法108
5.1.3金剛石薄膜的性質和應用109
5.2化學氣相沉積合成金剛石的生長機理112
5.2.1CVD合成金剛石過程中的經驗和規律112
5.2.2CVD生長金剛石機理114
5.2.3金剛石薄膜生長動力學因素119
5.3金剛石薄膜生長方法120
5.3.1熱絲法CVD120
5.3.2微波等離子體CVD法122
5.3.3等離子體噴射法CVD124
5.3.4其他CVD方法124
5.4類金剛石薄膜生長方法126
5.4.1概述與表徵126
5.4.2類金剛石薄膜的製備方法127
5.4.3類金剛石薄膜的性質及應用129
參考文獻130
第6章立方氮化硼的性質與應用134
6.1氮化硼的結構134
6.1.1六方氮化硼134
6.1.2菱方氮化硼135
6.1.3立方氮化硼135
6.1.4纖鋅礦氮化硼136
6.2立方氮化硼的性質與應用136
6.2.1機械性質136
6.2.2光學性質137
6.2.3電磁性質137
6.2.4熱學性質138
6.2.5CBN的化學性質139
6.3靜壓催化劑法合成立方氮化硼的機理139
6.3.1BN的相圖140
6.3.2CBN合成區域141
6.3.3CBN合成機理141
6.4合成立方氮化硼的原材料142
6.4.1HBN的製備142
6.4.2HBN原料對合成CBN的影響143
6.4.3催化劑與立方氮化硼的合成144
6.5立方氮化硼合成工藝、提純及檢測145
6.6立方氮化硼大單晶的培育146
6.7立方氮化硼薄膜的製備147
6.7.1PVD製備CBN薄膜148
6.7.2化學氣相沉積(CVD)149
6.7.3存在的問題和發展方向149
參考文獻150
第7章聚晶超硬材料155
7.1聚晶金剛石的發展155
7.2聚晶金剛石的性能特點與用途157
7.2.1聚晶金剛石的性能特點157
7.2.2聚晶的性能指標158
7.2.3聚晶金剛石的應用領域160
7.3聚晶金剛石的分類162
7.3.1生長型163
7.3.2燒結型163
7.3.3中介結合型164
7.3.4生長-燒結型165
7.4金剛石聚結過程分析166
7.4.1燒結過程166
7.4.2基本的物理化學變化166
7.4.3燒結體結構167
7.5生長型PCD製造工藝169
7.6燒結型PCD製造工藝170
7.6.1聚晶金剛石燒結工藝流程170
7.6.2固相燒結171
7.6.3液相燒結173
7.6.4D-MD中介結合的聚晶金剛石的燒結176
7.7聚晶立方氮化硼的製備177
7.7 .1製造方法分類177
7.7.2製備工藝流程178
7.7.3PCBN複合片的製備179
7.8納米聚晶金剛石和納米孿晶金剛石(立方氮化硼)的製備179
參考文獻180
第8章金剛石功能材料及發展183
8.1熱傳導材料183
8.2寬禁帶半導體186
8.2.1肖特基二極管186
8.2.2場效應晶體管187
8.2.3場發射材料187
8.2.4光發射材料188
8.2.5二次電子發射材料188
8.3金剛石電極材料188
8.3.1金剛石電極的電化學性質189
8.3.2金剛石電極在電化學中的應用190
8.4納米金剛石粉體的電化學性質及應用191
8.4.1納米金剛石的導電機理191
8.4.2納米金剛石的表面修飾192
8.4.3納米金剛石的電化學性能194
8.4.4納米金剛石在電化學領域的應用195
8.5生物醫藥領域200
8.5.1生物細胞標誌200
8.5.2生物傳感器201
8.5.3定向藥物基因傳輸202
8.5.4保健品級化妝品添加劑203
8.6其他應用203
8.6.1射線及探測器件203
8.6. 2量子計算機單電子源204
8.6.3聲波材料204
8.6.4保護塗層204
參考文獻204
第9章新型超硬材料的研究進展209
9.1引言209
9.2納米孿晶CBN209
9.3納米孿晶金剛石213
9.4新金剛石215
9.4.1激光消融法216
9.4.2炭黑催化法220
9.4.3HR-carbon模型224
9.5小結227
參考文獻228
第10章金剛石工具概論229
10.1金剛石工具的構成229
10.2金剛石磨料232
10.2.1金剛石磨料的相關行業標準232
10.2.2金剛石的熱穩定性233
10.3金剛石工具的種類及結合劑236
10.3.1金剛石工具的分類236
10.3.2金剛石工具的結合劑種類及特點236
10.4金剛石工具製造工藝簡介239
10.5金剛石工具工作過程中的行為分析241
參考文獻244
第11章金剛石工具及復合熱傳導材料246
11.1金屬結合劑金剛石工具246
11.1.1金屬結合劑配方體系248
11.1.2金屬結合劑金剛石工具的製備方式251
11.1.3金屬結合劑金剛石工具中金剛石的選用252
11.1.4金屬結合劑金剛石工具的幾何形狀及其設計255
11.1.5金屬結合劑金剛石工具的質量監控256
11.1.6金屬結合劑金剛石工具製造工藝簡介258
11.2樹脂結合劑金剛石工具260
11.2.1樹脂結合劑的種類及其填料261
11.2.2樹脂結合劑金剛石工具中金剛石的選擇261
11.2.3樹脂結合劑金剛石工具的製造工藝262
11.3陶瓷結合劑金剛石工具263
11.3.1陶瓷結合劑的組成及性能要求264
11.3.2傳統陶瓷結合劑的成分調控265
11.3.3納米陶瓷結合劑的開發應用270
11.3.4陶瓷結合劑金剛石工具中磨料的選擇277
11.3.5陶瓷結合劑金剛石工具的製備工藝278
11.4電鍍金剛石工具278
11.4.1金剛石複合鍍層的結構及作用279
11.4.2電鍍金剛石工具的製造工藝279
11.5釬焊金剛石工具282
11.6金剛石線鋸工具284
11.6.1金剛石線鋸的類別285
11.6.2電鍍金剛石線鋸的製備工藝287
11.6.3金剛石線鋸技術現狀和研究方向290
11.7金剛石複合熱傳導材料291
11.7.1複合材料的熱膨脹係數和熱導率292
11.7.2金屬基金剛石複合熱傳導材料293
11.7.3陶瓷基金剛石複合熱傳導材料296
11.7.4高分子基金剛石複合熱傳導材料299
參考文獻299
第12章金剛石工具的界面問題308
12.1界面問題的提出及發展過程308
12.1.1金屬結合劑工具的界面問題309
12.1.2陶瓷結合劑工具的界面問題311
12.2實現金剛石與結合劑冶金結合的條件315
12.2 .1成分條件315
12.2.2結構條件316
12.2.3工藝條件316
12.3超硬磨料表面的金屬化及其技術316
12.4真空微蒸發鍍鈦技術321
12.4.1真空微蒸發鍍覆技術的產生321
12.4.2真空微蒸發鍍鈦過程的熱力學計算323
12.4.3鍍層的質量和評價方法327
12.4.4鍍鈦對金剛石性能的影響328
12.5真空微蒸發鍍鈦金剛石的應用效果330
12.5.1真空微蒸發鍍鈦金剛石的作用331
12.5.2採用真空微蒸發鍍鈦金剛石的收益335
12.6金剛石真空微蒸發鍍鈦的系列產品及應用335
12.6.1鍍覆單一金屬或合金的超硬磨料336
12.6.2真空微蒸發鍍覆之後再經電鍍形成的多層複合鍍超硬磨料338
12.7超硬磨料鍍覆剛玉產品及應用340
12.7.1金剛石塗覆剛玉的技術要點340
12.7.2剛玉塗覆金剛石產品的性能檢測341
12.7.3剛玉塗覆處理後的金剛石的使用效果及經濟效益344
參考文獻345