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摘要　　分析了我国高压合成工艺中密封传压介质原料应具有的性能——传压性、密封性、黏滞性、流变性、化学惰性、绝缘性及热传导性。从原料组成与结构两方面探讨了密封传压介质的研制方向，指出层状硅酸盐矿物是目前密封传压介质原料的选择原料。同时，密封传压介质的结构对其使用性能也有重要影响，应在扩大合成腔体、方腔体、非立方体等非传统结构上进行探入研究。最后，提出密封传压介质粉压成型、焙烧制作工艺过程及其注意的问题。

关键词　　高压合成；密封传压介质；研制 

　　在高压合成工艺中，密封传压介质（矿物原料粉压块）是重要的合成辅料，它是静压法合成金刚石的合成腔体。目前，我国包括金刚石在内的超硬材料合成工业发展迅速，合成产品的数量已跃居全球第一，质量也正在稳步提升，部分产品质量已经达到世界先进水平。从我国近年来在超硬材料合成方面的研究及生产情况来看，进行高压合成的科研院所、高校及公司注重的研究方向主要在高压合成工艺、高压控制技术、产品合成机理、压机制造与自动控制以及超硬材料制品研制等方面。但是，合成金刚石的重要辅料——密封传压介质的研究却少有研究单位问津。通过近年的合成工作来看，密封传压介质研究工作的不足已经成为制约我国超硬材料行业健康发展的关键因素。我们主要对密封传压介质的研制情况进行探讨，以推动我国密封传压介质研制方面的进步。

1         密封传压介质应具有的性能 

　　高温高压静压法合成金刚石的高压合成腔体是由具有密封传压性质的材料组成，它对金刚石的合成工艺起着非常重要的作用。为了使固体样品受到的压力尽可能接近静水压力，一般不直接用压机顶锤直接挤压样品，而是通过固体密封传压介质对样品进行间接加压。密封传压材料为石墨向金刚石的转化创造了物理环境，作为合成介质，它具有密封、传压、隔热和绝缘等作用。在我国广泛使用的六面顶压机合成工艺中，密封传压介质应具有下面的性能。

1.1       传压性

　　密封传压介质主要的作用是传递顶锤施加的压力，因此传压性是其重要的性质之一，也是密封传压介质组成原料应有的基本性质。良好的传压特性对金刚石产品的数量、质量以及能耗、自动控制等方面具有重要的作用。根据该特占，传压性好的矿物原料应满足以下要求：（1）可压缩性低。这样，密封传压介质本身消耗的压力少，可以使较多的压力传递到合成腔内，不仅节省能耗，而且可以产生比较理想的合成环境。（2）熔点高、热稳定性强。好的密封传压介质应在高温高压的情况下尽量不发生相变，以免合成腔压力发生变化影响传压性从而导致合成环境改变影响合成产品的质量。

1.2       密封性

　　人造金刚石的生成及平衡生长需要稳定的合成环境。密封传压介质要求其制作原料具有良好的密封性能。密封性好的原料能够保持压力和温度的恒定。另外，密封性好的原料能够保护压机顶锤，从而降低锤耗。密封性要求原料具有较高的内摩擦系数、一定的黏度、好的回弹性以及适合的流变性。

1.3       黏滞性

　　构成密封传压介质的原料应具有较高的黏滞性（即内摩擦系数）。高黏滞性的原料具有低的剪切性能，能够保证密封传压介质的密封性。一般的，黏滞性高的原料往往能与顶锤之间保持较高的摩擦力，从而保证良好的密封性能。黏滞性高的原料质地相对较硬，一般来说传压效果也较好。

1.4　流变性

　　密封传压介质的原料应该在高温高压环境下具有合适并且稳定的流变性。流变性与传压性、密封性、内摩擦性密切相关。流变性较好的原料能够保持合成腔体在各个方向保持均衡的压力。在高温高压环境下原料具有一定的流变性可以起到很好的密封作用。但是往往由于流变性过高引起密封原料失去控制从而失去密封性能，进而引起爆锤。另外，在高温高压环境下密封传压介质的流变性往往由于相变而降低，影响传压性能。

1.5化学惰性

　　尽管通过研究发现构成密封传压介质原料的元素成分可能参与了金刚石的合成[1]，但是鉴于目前密封传压介质的研究现状，在密封传压介质原料、密封、传压等基础方面没有彻底解决的情况下独立研究以上问题并不现实。目前在设计密封传压介质时还是希望其组成原料具有一定的化学惰性。原料的矿物组成或化学成分不与触媒、石墨以及顶锤中的元素发生反应。龙其注意在高温高压环境下密封传压介质原料中元素的运动行为。

1.6       绝缘性和热传导性

　　除了以上的各种性质外，良好的密封传压介质原料还应具有较高的绝缘性（较低的导电性）和热传导性。高的绝缘性和热传导性有利于合成环境温度场的一致，还可以延长顶锤的使用寿命。

2     目前普遍采用的密封传压介质

　　由于复合密封传压介质具有良好的密封传压特性，目前在高压全成中普通采用。复合密封传压介质的主要组成矿物原料为叶蜡石和白云石。该类型复合密封传压介质将叶蜡石的密封性和白云石的传压性结合在一起，优化了金刚石产品的合成效果。其结构如图1所示。叶蜡石在高温下会发生一定程度的脱水反应，恶化金刚石的合成环境。另外，叶蜡石在高温下还会发生相变^[2－3]，生成方石英和莫来石，导致密封和传压性能下降。白云石在高温高压下基本稳定，在合成金刚石过程中起着很好的作用^[4]。目前采用的复合密封传压介质普遍采用叶蜡石内套白云石粉压环的复合结构。实践表明，加有白云石套环的复合密封传压介质能够提升密封传压介质的性能，满足目前合成金刚石工业的需求。该类型的复合密封传压介质在我国已经普遍使用了20多年的时间，最近10年用量增速很大。白云石内衬材料的复合密封传压介质很可能成为今后一定时间内该领域的研究方向。

图1　复合固体密封传压介质结构示意图

3    密封传压介质新原料的选择

　　几十年来，我国金刚石合成工业普遍采用北京京西叶蜡石作为密封传压介质主要原料，并且对京西叶腊石矿物的物化性质做了详细的研究^[5－6]。实践证明，京西叶蜡石具有较好的内摩擦性、固体传压性、耐热保温性及绝缘性，比较适合作为密封传压介质的主要原料。可是京西叶蜡石资源已经枯竭，因而应开发新的密封传压介质资源以满足日益增长的金刚石合成工业需要。

3.1       传统资源——叶蜡石矿物原料的选择

　　鉴于拥有密封、传压等优异特性，叶蜡石仍然是目前密封传压介质首选原料。为了指导密封传压介质原料的选择，通常根据所含矿物成分划分为：蜡石质叶蜡石、水铝石质叶蜡石、高岭土质叶蜡石、石英质叶蜡石等^[7]。根据生产实践，一般认为比较适合作为密封传压介质原料的叶蜡石成分为：SiO₂质量分数≤50%，Al₂O₃质量分数≤40%，在此基础上通过实验论证采用。根据以上划分的类型，符合该条件的叶蜡西征属于水铝石质叶蜡石。通过多年的生产经验，该结论基本是正确的，所以符合该条件的叶蜡石资源可以用来开发研制密封传压介质。特别注意SiO₂质量分数不能太高，否则原料质地发硬，影响其密封性，极易导致爆锤。也有研究认为，SiO₂质量分数高一些的原料传压性质较好，有时合成效果令人满意。这可能是由于采用不同地区的叶蜡石资源得出的结果，其矿物成分除了SiO₂外还存在许多其他成分，影响因素较多，关于这一点还有待进一步论证。

　　我国大部分产地叶蜡石资源矿物成分很不均一，但大多属于高硅低铝叶蜡石，其中SiO₂质量分数较高（质量分数大于60%），而Al₂O₃质量分数偏低（质量分数小于30%）。根据经验，该类型叶蜡石制作的密封传压介质在使用上效果很不理想。为了能够利用该类资源，可对其进行选矿，使所选物料基本满足以上推荐SiO₂与Al₂O₃质量分数比例。

3.2       非叶蜡石原料的选择

　　由于目前符合上述条件的叶蜡石资源在我国并不多见，单纯找寻新的叶蜡石资源方向上解决不了目前的困境。应扩大视野，打破传统继续在非叶蜡石资源上进行研究。在密封传压介质原料的选择上应注重矿物的晶体结构和化学成分，因为晶体结构和化学成分决定了物料的物理性质和化学性质。根据矿物学知识，能够满足密封传压性质的矿物主要为层状硅酸盐。因此目前在主要材料的选择上仍旧在该范围内考虑。符合条件的矿物除叶蜡石外主要有：伊利石、绿泥石、高岭石、滑石等。由于纯矿物均不能满足密封传压的性质，在资源的选择上应根据SiO₂和Al₂O₃的质量分数，另外结合矿物原料的性质予以综合考虑。除此之外，构成密封传压介质的原料应保持稳定、均匀。

3.2.1          伊利石

　　多为块状构造，晶粒细小，在电子显微镜下呈不规则的薄片状，有时也呈不完整的六边形和板条形态，通常呈土状集合体产出。鳞片变晶结构，密度为2.5~2.8 kg/m³，莫氏硬度1~2。不同产地的伊利石其矿物成分有很大不同，龙其是SiO₂与Al₂O₃的质量分数。K₂O和Na₂O　质量分数一般较为稳定。

　　在选择伊利石制作密封介质时应注意SiO₂与Al₂O₃的相对质量分数。SiO₂质量分数较高的原料密封效果差，但是传压效果好，具体情况需经合成实验研究后进行论证。

　　伊利石是一种典型的黏土矿，在我国浙江、吉林、河南等地广泛分布。

3.2.2          绿泥石

　　绿泥石一般指的是含有Mg（或Fe）的正绿泥石（或鳞绿泥石），密度2.6~3.4kg/m³，莫氏硬度2~2.5，随着Fe质量分数的增大，硬度随之增大，解理片具有挠性。晶体呈鳞片状，集合体呈土状。绿泥石属于典型的层状硅酸盐矿物，具有一定的密封传压特性，在制作密封传压介质时可用作叶蜡石的替代资源。

　　绿泥石是一种常见的造岩矿物，可见于各种变质岩中，也常见于热液蚀变的岩石中，在我国各地多有分布。

3.2.3          高岭石

　　高岭石是一种含水的1：1型层状铝硅酸盐，2.6~2.63 kg/m³，莫氏硬度2~3.5，晶体为鳞片状，集合体呈致密块状或土状。高岭石与叶蜡石矿物种属一致，两者均由Al₂O₃、SiO₂、H₂O组成，并且物理性质和化学性质接近，因此，高岭石应该是一种很有发展前途的密封传压介质原料。　　

　　我国江西、江苏、湖南、山西等地多有高岭石资源。由于高岭石矿物存在多种多型，其性质不尽相同，在原料的选择时应加以注意。

3.2.4          滑石

　　滑石是一种常见的含镁硅酸盐矿物，化学成分稳定，密度2.58~2.83 kg/m³，莫氏硬度1，质地软而滑腻，解理片具有挠性，电绝缘和耐热性能较高。物理性能与叶蜡石相似，肉眼不易区别。滑石同样是一种性能优异的密封传压介质原料资源，应该在今后的研究中予以重视。

　　我国滑石资源丰富，辽宁、山东等地蕴藏量举世闻名。

3.2.5          白云石

　　白云石为碳酸盐矿物，晶体结构类似解石，化学成分CaMg[CO₃]₂，常有Fe、Mn等类质同象代替Mg。晶体呈菱面体，集合体通常呈粒状。密度2.85 kg/m³，莫氏硬度3.5~4。

　　白云石具有良好的隔热、保温效果，并且热膨胀率高于叶蜡石，在高温高压环境下可以弥补合成腔内由于叶蜡石相变体积收缩产生的压降。并且白云石不含结晶水，一般认为它在合成金刚石的高温高压下能够保持物相的稳定，没有碳酸盐类物质的分解。因此白云石非常适合作为密封传压介质原料。但是由于白云石内摩擦系数较小，不适合作密封材料，目前普遍采用白云石材料制成套环粉压在叶蜡石内部的方式做成复合密封传压介质。

　　我国白云石资源较为丰富，山东沿海、山西、河北、湖南、湖北等地均有分布。

　　除了上述矿物以外，其他有可能作为密封传压介质的层状硅酸盐矿物有蛇纹石、蛭石、蒙脱石等。这此矿物在科学试验中曾被研究，但是由于认识不足，密封传压性能有待进一步论证研究。

3.2.6          氯化钠

　　采用氯化钠做密封传压介质在国外两面顶合成工艺中普遍采用。由于其高温高压环境下流变性较强在我国合成工业中并未得到推广。氯化钠由于具有低剪切的优异特性，能够容易产中静水压的效果，因此具有良好的传压特性。另外，氯化钠在高温高压下不产生有害于合成过程的氢（Ｈ），从而在合成过程中能够使合成腔体中轴向压力梯度减轻，减少了合成腔体中的热量外流，具有良好的传压和保温性能。鉴于上述原因，氯化钠在密封传压介质研制中仍不失为以一种性能优异的密封传压原料。在试块（即密封传压介质）的制作中，可以进行以下方面的考虑：（1）在常规叶蜡石原料中（或其他具有密封性能的原料）适当添加氯化钠材料，内层仍保留白云石套管；（2）用氯化钠制作圆柱形套管，外层为常规叶蜡石等密封材料或其他原料。

　　氯化钠质密封传压介质容易潮解，因此该类型密封传压介质应避免存放时间过长。

　　采用氯化钠作为密封传压介质的研究在国内开展的工作较少。今后应加大该方面的研究力度。

3.2.7          混合型矿物原料

　　混合型矿物原料试制密封传压介质目前有两个方面值得注意。

（1）       在密封材料中添加一些高熔点、高电阻的矿物可能会在一定程度上提高试块的密封传压效果。通过少量添加其他矿物的方式提高试块的密封传压效果是一种很有前途的设计方法，值得在今后的研究中予以重视。

（2）       鉴于包括叶蜡石在内的层状硅酸盐优异的密封传压性能以及在合成工艺中各自的不利因素，由两种及其以上的原料构成的新型复合密封传压介质也可能是将来的研究方向之一。复合密封传压介质结合了各种原料的优异特性，能够同时满足密封、传压等性能。

另外需要注意的是，在原料的选择中应密切结合介质的结构，以使试块的性能达到最优。

4   密封传压介质结构的选择

　　除了密封传压介质的原料组成之外，试块的结构同样是影响其性能的主要因素。目前的设计方向主要在以下几个方面。

4.1       扩大试块的合成腔体

　　出于提高产品数量、质量等方面的考虑，人们一直希望能够在扩大试块的合成腔体上进行研究^[8、9]。经过多年的发展，这方面已经取得了较好的经验。目前国内成熟的密封传压介质的结构尺寸可以达到边长56mm，内腔中心直径40mm甚至更大。腔体尺寸发展过程见表1。

　　经过20年的使用，实践表明扩大试块的腔体是提高产品数量和质量的途径之一，仍然是今后密封传压介质设计研制的基本方向。另外，合成腔体的扩大与压机的型号、顶锤尺寸、合成压力温度以及合成腔的装配方式等密切相关，因此，设计时应综合考虑以上因素。

4.2       方腔体密封传压介质

　　该试块与目前普遍采用的试块在结构上最主要的区别为采用了方腔体结构。该类型试块的结构见图2。方腔体结构试块的设计方式在上世纪90年代时就引起了人们的注意，但是由于研究不够深入，一直没有正式投入生产。

　　相对于圆柱形腔体，方腔体试块在合成金刚石时，腔体内部的受力情况可能更均匀。受力均匀的环境对合成高质量的人造金刚石更为有利，而且在另一方还可认为是一种扩大的腔体。可能能够提高产品的质量和数量。

　　目前，方腔体的设计并未在生产上推广使用。可能有以下方面的原因：

（1）       方腔体相对于圆柱形腔体的试块加工成型困难，成品率较低。

（2）       适合方腔体的合成材料如石墨片、堵头等需要配套制作。

（3）       方腔体合成超硬材料的适应性还有待验证。

　　但是，最重要的原因还是人们对该类型试块的认识不足，方腔体应该值得进一步研究和探讨。

4.3       非立方体密封传压介质

　　由于考虑到合成环境的均衡问题，有人瘟提出非立方体的密封传压介质试块。该试块在结构上主在是沿合成腔轴向增长数毫米。其目的是改善合成腔体内加热端与非加热端的传压不均匀性。生产实践证明，立方体叶蜡石试块在使用过程中，试块的六个面的压缩量不同，导电面方向较非导电面方向试块收缩量大。通过加大试块导电方向尺寸可以弥补其收缩量过大的不足。试验结果证明，长方体试块的边长尺寸必须选择适当，否则可能适得其反。

4.4       试块边棱附近埋置加强筋

　　为了减少试块爆锤的事故发生，经过分析，可以通过在试块的边棱附近埋置加强筋的办法，增加试块边棱附近的密封性[10]。该试块的示意图见图3。经过试验得出：埋置加强筋的试块在压机负荷相同的情况下，样品受到的压力略高于普通试块样品受到的压力，并且埋置加强筋的位置也是试块在爆锤时被挤压冲出的位置。在该处埋置加强筋，能够有效地防止高温高压下爆锤事故发生。另外，从试验结果来看，加有加强筋的试块在与没有加强筋试块在加热功率相同条件下，两者样品心心温度基本接近。由于该类型试块缺乏足够的深入研究，没有合适的数学模型进行设计指导，研究进展缓慢。

图3　加有加强筋的固体密封传压介质结构示意图

5     试块配料及压制工艺

5.1       密封传压原料的粒度配比

　　为了便于生产和满足产品的使用性能，在压制前矿物原料需要按照一定的粒级进行配比。粒度偏粗，试块不易成型，并且表面粗糙，光洁度较差，但是传压效果较好；粒度偏细，试块容易成型，表面光洁度高，而且密封性能好。在研制过程中，常常结合最紧密堆积原理进行粒级配料（实际上不一定完全吻合，需根据实际情况确定最佳粒级）。密封材料一般按照粗、中、细三个粒级进行配料，内层传压层根据情况分粗、细两个级别进行配料。需注意的是密封材料与传压材料的粒级不一致。

　　另外，正如本文前面所述，必要时可进行叶蜡石等原料的选矿，以满足物料成分的需要。由于选别后的物料粒度较细，对选后的物料应进行造粒，以满足压制需要。

5.2       试块压制成型

　　密封材料与传压材料分别加成型剂混料后，可在专门设备上根据技术要求进行粉压成型。应特别注意试块的成型尺寸以及密度。

5.3       粉压成型试块的热处理

　　天然密封传压材料具有一定的结晶水，而且容易潮解。为了保证良好的使用效果，在天然密封传压材料机械压制成型后，需要进行适当温度的焙烧，使其碍度均匀、内部应力下降，并且防止潮解。重要的是经过一定的热处理可以提高其内摩擦系数，增加密封保温性能，提高其使用效果。不同的密封传压材料应有不同的焙烧工艺，应根据试验结果论证采用。焙烧后的试块应经过质检，然后按要求贮存。

6   结论

　　目前超硬材料合成工业发展迅速，无论从原料的选择还是结构的设计等方面密封传压介质的研制研究刻不容缓。由于影响密封传压介质性能的因素较多，而且试验成本较高，今后的工作中应避免盲目，应结合生产实际情况，总结密封传压介质的合成规律，研制出适合我国超硬材料合成工业实际情况的密封传压介质。另外，密封传压介质在研制中除了原料与结构的研究外，应特别注意密切联系合成工艺以及合成设备。不顾合成工艺及合成设备而独立进行密封传压介质的研制是行不通的。

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作者简介

杨炳飞，男，1979出生，北京科技大学在读博士研究生，讲师，主要从事金刚石合成用密封传压介质原料及制备工艺研究。