1 引言
　　金剛石具有多種優異的性能，諸如最大的硬度，最高的熱導率，最寬的透光波段，聲速最快，抗強酸強堿,抗輻射，擊穿電壓高，載流子遷移率大等等。因此，它已被廣泛應用到工業、科技、國防、醫療衛生等眾多領域當中。例如：大規模地應用到高硬度材料的機械加工，精密加工工具、半導體激光器和高功率激光武器等的散熱片、紅外分光用的窗口材料、金剛石對頂砧壓機的壓頭等。
　　由于天然金剛石大單晶以及人工合成的寶石級金剛石大單晶價格昂貴，成本較高，還不能大規模的工業化應用。作為一種替代產品，金剛石聚晶(PCD)一直受到了人們廣泛地關注¨
　　理想的金剛石聚晶不但具有金剛石單晶優異的物理性能，而且還表現出金剛石單晶所不具備的各向同性的優點。為達到上述兩大優點，在制備金剛石聚晶時要盡量少用粘結劑，甚至不用粘結劑，以達到真正的金剛石顆粒間的直接鍵合。同時，選用的金剛石微粉的粒度要盡可能的細，并在燒結過程中避免晶粒的異常長大 。
　　本文通過高溫高壓下金剛石再生長燒結方法，采用細粒度金剛石微粉作原料，鐵基金屬微粉作燒結助劑，在六面頂超高壓設備上進行了金剛石聚晶的制備。與傳統的鈷基粘結劑相比具有價格低廉等優點。鐵基金屬同時也是合成高品級金剛石的熔媒材料，因此可有助于金剛石顆粒之間的再生長和成鍵。
　　本文借助鐵一碳相圖對鐵基一金剛石體系的燒結條件進行了探討，并通過光學顯微鏡、掃描電鏡、x—ray衍射、Raman光譜對制備的金剛石聚晶進行了表征和分析。
　　2 實驗
　　本實驗采用Fe基金屬微粉作燒結助劑，通過高溫高壓下金剛石微粉顆粒間的再生長燒結方法，在六面頂超高壓設備上進行了金剛石聚晶的合成研究。金剛石微粉粒度為1600目。燒結條件為5．8 GPa，1400—1600℃ 。為避免金剛石顆粒的異常長大，燒結時間一般控制在5分鐘左右。
　　金剛石微粉經表面處理后與一定配比的Fe基金屬微粉均勻混合，然后封裝在鉬腔中，組裝簡圖如圖l所示。
　　燒結后的樣品表面首先經過砂輪磨削，使其露出金剛石聚晶層，然后用酸處理除去表面析出的金屬助劑。最后通過高倍光學顯微鏡、掃描電鏡、X—ray衍射、Raman光譜對處理后樣品表面進行了觀測分析。
　　3 結果與討論
　　3．1 金剛石聚晶燒結工藝參數的確立
　　實驗表明，金剛石微粉的粒度(配比)、燒結助劑的比例、燒結溫度和壓力以及燒結時間等工藝參數對制備優質金剛石聚晶都有重要影響。根據我們前期對不同粒度金剛石燒結特性的對比研究表明，金剛石粒度越細燒結的金剛石聚晶越致密。本實驗選取1600目的金剛石微粉作原料并與一定比例的鐵基金屬微粉均勻混合后進行燒結。由于采用了鐵基金屬微粉作燒結助劑，而鐵基金屬本身又是合成金剛石的熔媒，因此，合適的高溫高壓燒結條件非常關鍵。根據5．7 GPa壓力下鐵一碳二元相圖，如圖2所示，金剛石的生長區間為1415—1557℃。同時，我們還可以看出，在1330—1415℃ 范圍內，有一個碳化鐵的熱力學穩定區。為此，我們分別在5．8 GPa，1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC不同的溫度點進行了金剛石的燒結。同時，為了避免超細金剛石微粉在高溫高壓下晶粒進一步長大，燒結時間一般控制在5分鐘左右。
　　3．2 光學顯微鏡觀測
　　圖3所示為不同溫度下燒結的金剛石聚晶經表面磨削后的高倍光學顯微照片，其中圖(a)、(b)、(e)和(d)分別對應1450℃ 、1500℃ 、1550℃和1600℃ 燒結的樣品。從光學顯微照片上看，金剛石聚晶顏色呈灰黑色，組織均勻且致密，已看不出原來金剛石微晶顆粒的完整規則晶面，整個表面有大量均勻分布的無規則形貌的細小顆粒構成，沒有發現明顯的晶粒長大現象。
　　3．3 微觀形貌分析
　　圖4所示為高溫高壓條件下(5．8 GPa，1550 oC)燒結的PCD材料的掃描電鏡照片。從掃描電鏡照片上看，PCD聚晶組織均勻且致密，已看不出原來金剛石微晶顆粒的完整規則晶面。從圖(b)高倍率電鏡照片上，我們還可以看出，微晶顆粒表面有熔融的跡象。PCD的微觀形貌結果表明，在高溫高壓下，金剛石微晶經歷了塑性形變，與鐵基熔媒接觸處的金剛石在熔媒中進行了溶解和再生長，最終形成了致密的PCD聚晶材料。
　　3．4 XRD分析
　　圖5是不同溫度下燒結的金剛石聚晶的x射線衍射譜，其圖中(a)、(b)、(c)和(d)分別對應1450oC、1500 oC、1550 oC和1600 oC燒結的樣品。從圖5我們可以看出，除明顯的金剛石樣品峰外，還有少量Fe c的衍射峰。這表明采用鐵基粘結劑制備的金剛石聚晶中，在晶界處除金剛石與金剛石成鍵外還有部分鐵碳鍵的存在。同時，在1600 oC燒結的樣品(d)中有少量石墨峰的存在，表明金剛石表面有部分殘留的金剛石逆轉化的石墨。
　　3．5 Raman光譜分析
　　Raman光譜由于對s 雜化的金剛石和sP 雜化的石墨的信息非常敏感，因此，是表征金剛石和石墨碳的一種重要的光譜手段。為了研究金剛石聚晶的Ramail特性，我們分別給出了金剛石聚晶和人工合成的寶石級金剛石單晶的Raman光譜(圖5所示)。通過對比我們可以明顯看出，我們制備的金剛石聚晶的Raman光譜具有幾個顯著的特征：①金剛石聚晶的特征Raman峰的半高寬較寬(15—20 om。。)，而單晶金剛石的半高寬僅2—3 cm～。Raman峰的半高寬往往與晶格中的各種缺陷、位錯等有關系，由此表明，金剛石聚晶在制備的過程中，可能由于局部受力不均，造成金剛石顆粒內部形成缺陷。② 聚晶金剛石的Raman光譜往往表現出較高的熒光背底，這可能是由于聚晶內部有大量晶界以及表面不太光潔等所致；③聚晶金剛石Raman譜中除金剛石的特征Raman峰外，在1580 cm 還有一個較寬的G帶，表明聚晶金剛石中有少量石墨的存在。
　　3．6 Fe基熔媒助劑制備PCD的再生長燒結機理
　　根據上述測試結果，我們認為，在高溫高壓條件下，金剛石微晶顆粒之間的部分區域，尤其是顆粒空隙間的低壓高溫區將有部分金剛石逆轉化的石墨生成。當金剛石一熔媒體系處于金剛石生長的區間時，初始的部分金剛石逆轉化的石墨將在熔媒中溶解并再生長為金剛石，從而加速了金剛石顆粒間的成鍵過程。最終形成致密的金剛石自成鍵的PCD材料。
　　另外，當采用Fe基燒結助劑制備PCD材料時，由于在燒結過程中形成了碳化鐵，因此，我們認為，制備的PCD材料內部除存在金剛石的自成鍵外，還有金剛石與金剛石之間通過鐵碳鍵把鐵基助劑和金剛石燒結在一起的一種機制。
　　4 結束語
　　采用鐵基燒結助劑，通過高溫高壓下再生長燒結方法制備了質地均勻致密的金剛石聚晶(PCD)，并通過X—ray衍射、掃描電鏡和Raman光譜對PCD內部成分和微觀形貌進行了分析，對生長機理進行了初步的探討。