人造金刚石触媒的制备工艺及特点

关键词 触媒 , 金刚石|2022-06-17 15:04:10|来源 中国超硬材料网
摘要 触媒材料一般采用过渡族金属元素或其合金。根据其形状的不同可以分为:片状、粉状、粒状、丝状、管状、泡沫状等。目前以粉末触媒为主,片状触媒已淘汰......

1、触媒的分类及制备方法

       触媒材料一般采用过渡族金属元素或其合金。根据其形状的不同可以分为:片状、粉状、粒状、丝状、管状、泡沫状等。目前以粉末触媒为主,片状触媒已淘汰。
       粉末触媒的制造方法主要有物理化学法和机械粉碎法两大类。物理化学法是利用加热、电解或化学反应的方法从金属化合物中制取粉末,如还原法、电解法和羰基法等。机械法是将固体或液态金属(或合金)破碎成粉的方法,其化学成份基本不发生变化。典型方法有旋涡研磨法、球磨法和雾化法等。
       就制取金刚石合成用粉末触媒而言,机械法制粉较为常见,如在触媒合金中加入某些微量元素(Si、C等)使之发脆,通过球磨破碎即可得到200目左右的触媒合金粉末。雾化制粉在粉末触媒大规模生产方面占有优势。用该方法容易制得所需成份的、纯度高、组织均匀且工艺性能优良的优质金属触媒粉末,且雾化制粉所得粉末颗粒形状、大小和粒度分布等均可在一定范围内调整。此外,雾化制粉还可使用廉价原料(废金属等),其工艺流程短、设备简单,因而总体成本较低。
       粉末触媒生产的关键技术是控制粉末的粒度、形状,特别是控制粉末触媒中的氧含量。从目前粉末触媒合成金刚石的应用情况看,雾化粉末触媒具有较大优势。采用真空/惰性气体雾化工艺,可制备出氧含量低、成分均匀、组织细小的高质量触媒合金粉末。但水雾化粉末触媒具有成本低的优势,而且水雾化制备的触媒,尽管氧含量高,但随后与石墨粉混合,经真空热处理,可有效脱氧,因此其发展前景更为广阔。

       2、粉末触媒特点

       粉末触媒具有以下优点:
      (1)比表面积大,接触面积大,有利于晶体生长
       粉末触媒的一个基本特征就是比表面积大。丰富的比表面有利于触媒与石墨的接触,大大地增加了高温高压条件下触媒和石墨的反应面积。粉末触媒若能与石墨粉充分混合,可以大幅度提高合成单产。
       众所周知,均一的温度场和压力场是生长优质金刚石的必要条件。粉末触媒与石墨的均匀混合,能产生较均一的温度场和压力场,给金刚石生长创造了良好的条件。
      (2)组织均匀、纯度高
       采用粉末触媒,各部位关键元素含量均匀统一,可以保证长出均匀的金刚石。由于采用雾化法制备粉末触媒,在从熔融的金属液体变成固体粉末的过程中,冷却速率非常快,触媒中各成分的偏差能控制在千分之一左右。
      (3)熔点低
       随着触媒粒子粒径的减小,其熔化温度明显降低。并且熔点的降低程度与粉末的粒度成反比。利用这个特点,可以通过不同触媒粒度的合理搭配及合成工艺的调整,从而有效地控制合成腔体中金刚石的成核密度和生长速度。
      (4)资源利用率高
       使用粉末触媒生产金刚石,合成腔体内触媒重量百分比约30%左右,利用率相对较高。其组分也易于调节。使金刚石行业的触媒使用量大幅降低。
       虽然粉末触媒有上述优点,但也具有如下缺点
      (1)表面易受污染
       粉末触媒材料的几何尺寸非常小,其表面吸附性大大提高,灰尘、油污都会对其造成大的污染。特别是粉末触媒非常容易被氧化,如果不能降低触媒中的氧含量,就会极大的影响粉末触媒的催化性能。
      (2)混料不易均匀
       由于石墨和触媒粒径非常小,且二者的比重差别很大(触媒的比重约为8,石墨的比重为2.25),因此,要想把二者均匀的混合起来是很难的。虽然混料时加入适量的粘结剂能改善混料的均匀性,但后处理不彻底将会影响金刚石的合成。
       此外,若粉状触媒在生产、贮运和应用中存在的氧化问题得不到很好的解决,就会造成粉末触媒合成工艺的不稳定。

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