專利名稱：用金屬鎂作觸媒合成黃色立方氮化硼單晶的方法
技術領域：
本發明屬于一種超硬材料的合成方法，特別涉及一種合成黃色半透明立方氮化硼單晶的方法。
背景技術：
用六角氮化硼為原料，用金屬鎂為觸媒合成立方氮化硼單晶，是一種應用廣泛的方法。但是，合成出的單晶缺陷多、硬度低、黑色不透明。與本發明最相近的現有技術是采用鋰、鈣等金屬氮化物為觸媒合成淺色立方氮化硼單晶的方法。詳見日本專利JP56-140013[專，日]/-1981.11.2-55-40451(1980.3.31)；Int.Cl.ColB21/064，Bolj27/24。主要技術內容包括，用六角氮化硼為原料，用氮化鋰，氮化鈣為觸媒，經混料—壓注成形—組裝—高溫高壓合成的工藝過程，合成出淺色立方氮化硼單晶。在混料之前，要制備氮化鋰、氮化鈣觸媒，即在氮氣氣氛下用金屬鋰、金屬鈣經高溫氮化制備出氮化鋰、氮化鈣。由于金屬鋰、金屬鈣都是活潑的金屬元素，保存和使其合成氮化物都有相當的難度，使合成淺色立方氮化硼單晶的工藝變得相當麻煩，由于金屬鋰、金屬鈣比較貴重，因此合成立方氮化硼單晶的成本很高。
發明內容
立方氮化硼是一種純人工合成材料。它的硬度僅次于金剛石，是加工鐵族元素及合金的優良超硬材料。合成顏色較淺，缺陷較少的立方氮化硼單晶以適應加工業的要求總是必須的。本發明采用廉價的金屬鎂作觸媒，采用廉價的氧化鎂或氧化鈣作添加劑，合成黃色半透明立方氮化硼單晶，能夠克服背景技術合成淺色立方氮化硼晶體過程中使用氮化物、硼氮化物為觸媒帶來得復雜性，簡化工藝過程，降低生產成本。也有人研究過氧化鎂對立方氮化硼單晶合成的影響，認為氧化鎂對合成立方氮化硼晶體不利，具體見H.Lofenz等人發表在J.Mater.Sci.Lett，7(1988)23，題目是“MgO對用Mg3N2作觸媒合成cBN的影響”的文章。本發明打破常規的工藝和常規的認識，使用金屬鎂為觸媒添加氧化鎂、氧化鈣或使金屬鎂在合成中氧化，使用和背景技術基本相同的工藝過程，生產出黃色透明立方氮化硼單晶。
本發明的具體工藝過程如下所述。
以六角氮化硼(hBN)為原料，以金屬鎂(Mg)為觸媒，以氧化鎂(MgO)或氧化鈣(CaO)為添加劑，經混料—壓注成形—裝入石墨容器，成為組裝塊；將組裝塊放入壓機的腔體，經高溫高壓合成黃色立方氮化硼(cBN)單晶。混料中hBN、Mg、MgO或CaO按質量比為1∶(0.1～0.3)∶(0.3～1)；高溫高壓合成的條件為合成cBN常規條件，即在溫度為1000～2000℃，壓力為4.0～6.0Gpa條件下保溫4～10分鐘。
前述的組裝塊可以按混裝方式或層裝方式進行組裝。所說的混裝，是將hBN、Mg、MgO或CaO按比例均勻混合后壓成柱狀，再裝入石墨容器。所說的層裝，是將hBN、Mg混合均勻后壓成片狀，MgO或CaO也壓成片狀，再將這兩種片交替裝入石墨容器。這里的柱狀材料或片狀材料直徑應與石墨容器的內腔直徑相吻合；柱的高度或兩種片交替裝入石墨容器的高度應與石墨容器的內腔高度相吻合。
本發明中氧化鎂或氧化鈣占原料的比例大小，是能否合成顏色均勻的透明黃色立方氮化硼晶體的關鍵。
本發明由于用Mg、MgO、CaO作觸媒和添加劑，其原料穩定易于保管，比使用Li3N、Ca3N2要廉價得多；生產Mg、MgO、CaO的過程也容易得多，有益于cBN單晶的合成，即克服了使用氮化物為觸媒帶來的復雜性、氧化性和使用保存上的諸多不便，簡化了工藝過程，降低了生產成本，更便于實施。本發明由于添加恰當比例的MgO、CaO，所得產品為黃色半透明的cBN晶體，打破了合成cBN晶體不能使用MgO的技術偏見。
具體實施例方式
實施例1用MgO粉作添加劑，采用混裝方式本合成實驗是在中國產DS029B型壓機上完成的。將六角氮化硼、鎂粉按質量85∶15比例均勻混合后，再加入占前兩種材料總質量25～30％的氧化鎂粉，混勻后壓成柱狀，放入加熱石墨容器中，在4.0-6.0GPa壓力，1000-2000℃條件下保溫5分鐘，停熱后卸壓，酸鹼處理后得到顏色均勻的黃色透明立方氮化硼晶體，晶體生長良好，結構完整，能譜分析表明硼氮比例接近1∶1。
實施例2用MgO塊作添加劑，采用混裝方式實驗在與實施例1相同的高壓設備上進行，合成時工藝條件同實施例1。原料配置為將六角氮化硼與金屬鎂粉按質量85∶15的比例均勻混合，再與占前兩種材料總質量30～40％比例的氧化鎂塊混合，然后根據合成腔體的大小壓成柱狀裝入加熱石墨容器中，在高溫高壓條件下合成，所得立方氮化硼晶體為半透明黃色，晶體生長良好，結構完整，能譜分析表明硼氮比例接近1∶1。
實施例3用MgO粉作添加劑，采用層裝方式按質量80∶20的比例將六角氮化硼與金屬鎂粉均勻混合，根據合成腔體的大小壓成厚約1毫米的片，再將氧化鎂粉壓成與六角氮化硼、金屬鎂粉材料片同樣大小和厚度的片，將上述壓好的兩種片交替裝入加熱石墨容器中，在高溫高壓條件下合成cBN。所得cBN晶體為半透明黃色，晶體生長良好，結構完整，能譜分析表明硼氮比例接近1∶1。
實施例4用CaO粉作添加劑與實施例1和實施例3的工藝過程完全相同，只是用CaO粉代替MgO粉作添加劑，效果也與實施例1、實施例3基本相同。
權利要求
1.一種用金屬鎂作觸媒合成黃色立方氮化硼單晶的方法，以六角氮化硼為原料，經混料—壓注成形—裝入石墨容器，成為組裝塊；將組裝塊放入壓機的腔體，在溫度為1000～2000℃、壓力為4.0～6.0Gpa條件下保溫4～10分鐘合成黃色立方氮化硼單晶，其特征是，以金屬鎂為觸媒，以氧化鎂或氧化鈣為添加劑進行混料，六角氮化硼、金屬鎂、氧化鎂或氧化鈣按質量的比例為1∶(0.1～0.3)∶(0.3～1)。
2.按照權利要求1所述的用金屬鎂作觸媒合成黃色立方氮化硼單晶的方法，其特征是，所說的組裝塊可以按混裝方式或層裝方式進行組裝，所說的混裝，是將六角氮化硼、金屬鎂、氧化鎂或氧化鈣按比例均勻混合后壓成柱狀，再裝入石墨容器；所說的層裝，是將六角氮化硼、金屬鎂混合均勻后壓成片狀，氧化鎂或氧化鈣也壓成片狀，再將這兩種片交替裝入石墨容器。
全文摘要
本發明的用金屬鎂作觸媒合成黃色立方氮化硼單晶的方法屬超硬材料的合成方法。以六角氮化硼為原料,以金屬鎂為觸媒,以氧化鎂或氧化鈣為添加劑,經混料—壓注成形—裝入石墨容器,制成組裝塊;將組裝塊放入壓機腔體,經高溫高壓合成立方氮化硼單晶。混料中原料、觸媒、添加劑按質量比為1∶(0.1～0.3)∶(0.3～1);高溫高壓合成是在溫度為1000～2000℃,壓力為4.0～6.0Gpa條件下保溫4～10分鐘。前述的組裝塊可按混裝方式或層裝方式進行組裝。本發明由于用Mg、MgO、CaO作觸媒和添加劑,其原料穩定易于保管,廉價且易于生產,降低了成本,簡化了工藝過程,便于實施。本發明由于添加恰當比例的MgO、CaO,所得產品cBN晶體生長良好,硼氮比例接近1∶1,為黃色半透明的晶體。
文檔編號B01J3/06GK1360091SQ0113874
公開日2002年7月24日 申請日期2001年11月29日 優先權日2001年11月29日
發明者張鐵臣, 望賢成, 鄒廣田 申請人:吉林大學