摘要　　分析了我國高壓合成工藝中密封傳壓介質原料應具有的性能——傳壓性、密封性、黏滯性、流變性、化學惰性、絕緣性及熱傳導性。從原料組成與結構兩方面探討了密封傳壓介質的研制方向，指出層狀硅酸鹽礦物是目前密封傳壓介質原料的選擇原料。同時，密封傳壓介質的結構對其使用性能也有重要影響，應在擴大合成腔體、方腔體、非立方體等非傳統結構上進行探入研究。最后，提出密封傳壓介質粉壓成型、焙燒制作工藝過程及其注意的問題。

關鍵詞　　高壓合成；密封傳壓介質；研制 

　　在高壓合成工藝中，密封傳壓介質（礦物原料粉壓塊）是重要的合成輔料，它是靜壓法合成金剛石的合成腔體。目前，我國包括金剛石在內的超硬材料合成工業發展迅速，合成產品的數量已躍居全球第一，質量也正在穩步提升，部分產品質量已經達到世界先進水平。從我國近年來在超硬材料合成方面的研究及生產情況來看，進行高壓合成的科研院所、高校及公司注重的研究方向主要在高壓合成工藝、高壓控制技術、產品合成機理、壓機制造與自動控制以及超硬材料制品研制等方面。但是，合成金剛石的重要輔料——密封傳壓介質的研究卻少有研究單位問津。通過近年的合成工作來看，密封傳壓介質研究工作的不足已經成為制約我國超硬材料行業健康發展的關鍵因素。我們主要對密封傳壓介質的研制情況進行探討，以推動我國密封傳壓介質研制方面的進步。

1         密封傳壓介質應具有的性能 

　　高溫高壓靜壓法合成金剛石的高壓合成腔體是由具有密封傳壓性質的材料組成，它對金剛石的合成工藝起著非常重要的作用。為了使固體樣品受到的壓力盡可能接近靜水壓力，一般不直接用壓機頂錘直接擠壓樣品，而是通過固體密封傳壓介質對樣品進行間接加壓。密封傳壓材料為石墨向金剛石的轉化創造了物理環境，作為合成介質，它具有密封、傳壓、隔熱和絕緣等作用。在我國廣泛使用的六面頂壓機合成工藝中，密封傳壓介質應具有下面的性能。

1.1       傳壓性

　　密封傳壓介質主要的作用是傳遞頂錘施加的壓力，因此傳壓性是其重要的性質之一，也是密封傳壓介質組成原料應有的基本性質。良好的傳壓特性對金剛石產品的數量、質量以及能耗、自動控制等方面具有重要的作用。根據該特占，傳壓性好的礦物原料應滿足以下要求：（1）可壓縮性低。這樣，密封傳壓介質本身消耗的壓力少，可以使較多的壓力傳遞到合成腔內，不僅節省能耗，而且可以產生比較理想的合成環境。（2）熔點高、熱穩定性強。好的密封傳壓介質應在高溫高壓的情況下盡量不發生相變，以免合成腔壓力發生變化影響傳壓性從而導致合成環境改變影響合成產品的質量。

1.2       密封性

　　人造金剛石的生成及平衡生長需要穩定的合成環境。密封傳壓介質要求其制作原料具有良好的密封性能。密封性好的原料能夠保持壓力和溫度的恒定。另外，密封性好的原料能夠保護壓機頂錘，從而降低錘耗。密封性要求原料具有較高的內摩擦系數、一定的黏度、好的回彈性以及適合的流變性。

1.3       黏滯性

　　構成密封傳壓介質的原料應具有較高的黏滯性（即內摩擦系數）。高黏滯性的原料具有低的剪切性能，能夠保證密封傳壓介質的密封性。一般的，黏滯性高的原料往往能與頂錘之間保持較高的摩擦力，從而保證良好的密封性能。黏滯性高的原料質地相對較硬，一般來說傳壓效果也較好。

1.4　流變性

　　密封傳壓介質的原料應該在高溫高壓環境下具有合適并且穩定的流變性。流變性與傳壓性、密封性、內摩擦性密切相關。流變性較好的原料能夠保持合成腔體在各個方向保持均衡的壓力。在高溫高壓環境下原料具有一定的流變性可以起到很好的密封作用。但是往往由于流變性過高引起密封原料失去控制從而失去密封性能，進而引起爆錘。另外，在高溫高壓環境下密封傳壓介質的流變性往往由于相變而降低，影響傳壓性能。

1.5化學惰性

　　盡管通過研究發現構成密封傳壓介質原料的元素成分可能參與了金剛石的合成[1]，但是鑒于目前密封傳壓介質的研究現狀，在密封傳壓介質原料、密封、傳壓等基礎方面沒有徹底解決的情況下獨立研究以上問題并不現實。目前在設計密封傳壓介質時還是希望其組成原料具有一定的化學惰性。原料的礦物組成或化學成分不與觸媒、石墨以及頂錘中的元素發生反應。龍其注意在高溫高壓環境下密封傳壓介質原料中元素的運動行為。

1.6       絕緣性和熱傳導性

　　除了以上的各種性質外，良好的密封傳壓介質原料還應具有較高的絕緣性（較低的導電性）和熱傳導性。高的絕緣性和熱傳導性有利于合成環境溫度場的一致，還可以延長頂錘的使用壽命。

2     目前普遍采用的密封傳壓介質

　　由于復合密封傳壓介質具有良好的密封傳壓特性，目前在高壓全成中普通采用。復合密封傳壓介質的主要組成礦物原料為葉蠟石和白云石。該類型復合密封傳壓介質將葉蠟石的密封性和白云石的傳壓性結合在一起，優化了金剛石產品的合成效果。其結構如圖1所示。葉蠟石在高溫下會發生一定程度的脫水反應，惡化金剛石的合成環境。另外，葉蠟石在高溫下還會發生相變^[2－3]，生成方石英和莫來石，導致密封和傳壓性能下降。白云石在高溫高壓下基本穩定，在合成金剛石過程中起著很好的作用^[4]。目前采用的復合密封傳壓介質普遍采用葉蠟石內套白云石粉壓環的復合結構。實踐表明，加有白云石套環的復合密封傳壓介質能夠提升密封傳壓介質的性能，滿足目前合成金剛石工業的需求。該類型的復合密封傳壓介質在我國已經普遍使用了20多年的時間，最近10年用量增速很大。白云石內襯材料的復合密封傳壓介質很可能成為今后一定時間內該領域的研究方向。

圖1　復合固體密封傳壓介質結構示意圖

3    密封傳壓介質新原料的選擇

　　幾十年來，我國金剛石合成工業普遍采用北京京西葉蠟石作為密封傳壓介質主要原料，并且對京西葉臘石礦物的物化性質做了詳細的研究^[5－6]。實踐證明，京西葉蠟石具有較好的內摩擦性、固體傳壓性、耐熱保溫性及絕緣性，比較適合作為密封傳壓介質的主要原料。可是京西葉蠟石資源已經枯竭，因而應開發新的密封傳壓介質資源以滿足日益增長的金剛石合成工業需要。

3.1       傳統資源——葉蠟石礦物原料的選擇

　　鑒于擁有密封、傳壓等優異特性，葉蠟石仍然是目前密封傳壓介質首選原料。為了指導密封傳壓介質原料的選擇，通常根據所含礦物成分劃分為：蠟石質葉蠟石、水鋁石質葉蠟石、高嶺土質葉蠟石、石英質葉蠟石等^[7]。根據生產實踐，一般認為比較適合作為密封傳壓介質原料的葉蠟石成分為：SiO₂質量分數≤50%，Al₂O₃質量分數≤40%，在此基礎上通過實驗論證采用。根據以上劃分的類型，符合該條件的葉蠟西征屬于水鋁石質葉蠟石。通過多年的生產經驗，該結論基本是正確的，所以符合該條件的葉蠟石資源可以用來開發研制密封傳壓介質。特別注意SiO₂質量分數不能太高，否則原料質地發硬，影響其密封性，極易導致爆錘。也有研究認為，SiO₂質量分數高一些的原料傳壓性質較好，有時合成效果令人滿意。這可能是由于采用不同地區的葉蠟石資源得出的結果，其礦物成分除了SiO₂外還存在許多其他成分，影響因素較多，關于這一點還有待進一步論證。

　　我國大部分產地葉蠟石資源礦物成分很不均一，但大多屬于高硅低鋁葉蠟石，其中SiO₂質量分數較高（質量分數大于60%），而Al₂O₃質量分數偏低（質量分數小于30%）。根據經驗，該類型葉蠟石制作的密封傳壓介質在使用上效果很不理想。為了能夠利用該類資源，可對其進行選礦，使所選物料基本滿足以上推薦SiO₂與Al₂O₃質量分數比例。

3.2       非葉蠟石原料的選擇

　　由于目前符合上述條件的葉蠟石資源在我國并不多見，單純找尋新的葉蠟石資源方向上解決不了目前的困境。應擴大視野，打破傳統繼續在非葉蠟石資源上進行研究。在密封傳壓介質原料的選擇上應注重礦物的晶體結構和化學成分，因為晶體結構和化學成分決定了物料的物理性質和化學性質。根據礦物學知識，能夠滿足密封傳壓性質的礦物主要為層狀硅酸鹽。因此目前在主要材料的選擇上仍舊在該范圍內考慮。符合條件的礦物除葉蠟石外主要有：伊利石、綠泥石、高嶺石、滑石等。由于純礦物均不能滿足密封傳壓的性質，在資源的選擇上應根據SiO₂和Al₂O₃的質量分數，另外結合礦物原料的性質予以綜合考慮。除此之外，構成密封傳壓介質的原料應保持穩定、均勻。

3.2.1          伊利石

　　多為塊狀構造，晶粒細小，在電子顯微鏡下呈不規則的薄片狀，有時也呈不完整的六邊形和板條形態，通常呈土狀集合體產出。鱗片變晶結構，密度為2.5~2.8 kg/m³，莫氏硬度1~2。不同產地的伊利石其礦物成分有很大不同，龍其是SiO₂與Al₂O₃的質量分數。K₂O和Na₂O　質量分數一般較為穩定。

　　在選擇伊利石制作密封介質時應注意SiO₂與Al₂O₃的相對質量分數。SiO₂質量分數較高的原料密封效果差，但是傳壓效果好，具體情況需經合成實驗研究后進行論證。

　　伊利石是一種典型的黏土礦，在我國浙江、吉林、河南等地廣泛分布。

3.2.2          綠泥石

　　綠泥石一般指的是含有Mg（或Fe）的正綠泥石（或鱗綠泥石），密度2.6~3.4kg/m³，莫氏硬度2~2.5，隨著Fe質量分數的增大，硬度隨之增大，解理片具有撓性。晶體呈鱗片狀，集合體呈土狀。綠泥石屬于典型的層狀硅酸鹽礦物，具有一定的密封傳壓特性，在制作密封傳壓介質時可用作葉蠟石的替代資源。

　　綠泥石是一種常見的造巖礦物，可見于各種變質巖中，也常見于熱液蝕變的巖石中，在我國各地多有分布。

3.2.3          高嶺石

　　高嶺石是一種含水的1：1型層狀鋁硅酸鹽，2.6~2.63 kg/m³，莫氏硬度2~3.5，晶體為鱗片狀，集合體呈致密塊狀或土狀。高嶺石與葉蠟石礦物種屬一致，兩者均由Al₂O₃、SiO₂、H₂O組成，并且物理性質和化學性質接近，因此，高嶺石應該是一種很有發展前途的密封傳壓介質原料。　　

　　我國江西、江蘇、湖南、山西等地多有高嶺石資源。由于高嶺石礦物存在多種多型，其性質不盡相同，在原料的選擇時應加以注意。

3.2.4          滑石

　　滑石是一種常見的含鎂硅酸鹽礦物，化學成分穩定，密度2.58~2.83 kg/m³，莫氏硬度1，質地軟而滑膩，解理片具有撓性，電絕緣和耐熱性能較高。物理性能與葉蠟石相似，肉眼不易區別。滑石同樣是一種性能優異的密封傳壓介質原料資源，應該在今后的研究中予以重視。

　　我國滑石資源豐富，遼寧、山東等地蘊藏量舉世聞名。

3.2.5          白云石

　　白云石為碳酸鹽礦物，晶體結構類似解石，化學成分CaMg[CO₃]₂，常有Fe、Mn等類質同象代替Mg。晶體呈菱面體，集合體通常呈粒狀。密度2.85 kg/m³，莫氏硬度3.5~4。

　　白云石具有良好的隔熱、保溫效果，并且熱膨脹率高于葉蠟石，在高溫高壓環境下可以彌補合成腔內由于葉蠟石相變體積收縮產生的壓降。并且白云石不含結晶水，一般認為它在合成金剛石的高溫高壓下能夠保持物相的穩定，沒有碳酸鹽類物質的分解。因此白云石非常適合作為密封傳壓介質原料。但是由于白云石內摩擦系數較小，不適合作密封材料，目前普遍采用白云石材料制成套環粉壓在葉蠟石內部的方式做成復合密封傳壓介質。

　　我國白云石資源較為豐富，山東沿海、山西、河北、湖南、湖北等地均有分布。

　　除了上述礦物以外，其他有可能作為密封傳壓介質的層狀硅酸鹽礦物有蛇紋石、蛭石、蒙脫石等。這此礦物在科學試驗中曾被研究，但是由于認識不足，密封傳壓性能有待進一步論證研究。

3.2.6          氯化鈉

　　采用氯化鈉做密封傳壓介質在國外兩面頂合成工藝中普遍采用。由于其高溫高壓環境下流變性較強在我國合成工業中并未得到推廣。氯化鈉由于具有低剪切的優異特性，能夠容易產中靜水壓的效果，因此具有良好的傳壓特性。另外，氯化鈉在高溫高壓下不產生有害于合成過程的氫（Ｈ），從而在合成過程中能夠使合成腔體中軸向壓力梯度減輕，減少了合成腔體中的熱量外流，具有良好的傳壓和保溫性能。鑒于上述原因，氯化鈉在密封傳壓介質研制中仍不失為以一種性能優異的密封傳壓原料。在試塊（即密封傳壓介質）的制作中，可以進行以下方面的考慮：（1）在常規葉蠟石原料中（或其他具有密封性能的原料）適當添加氯化鈉材料，內層仍保留白云石套管；（2）用氯化鈉制作圓柱形套管，外層為常規葉蠟石等密封材料或其他原料。

　　氯化鈉質密封傳壓介質容易潮解，因此該類型密封傳壓介質應避免存放時間過長。

　　采用氯化鈉作為密封傳壓介質的研究在國內開展的工作較少。今后應加大該方面的研究力度。

3.2.7          混合型礦物原料

　　混合型礦物原料試制密封傳壓介質目前有兩個方面值得注意。

（1）       在密封材料中添加一些高熔點、高電阻的礦物可能會在一定程度上提高試塊的密封傳壓效果。通過少量添加其他礦物的方式提高試塊的密封傳壓效果是一種很有前途的設計方法，值得在今后的研究中予以重視。

（2）       鑒于包括葉蠟石在內的層狀硅酸鹽優異的密封傳壓性能以及在合成工藝中各自的不利因素，由兩種及其以上的原料構成的新型復合密封傳壓介質也可能是將來的研究方向之一。復合密封傳壓介質結合了各種原料的優異特性，能夠同時滿足密封、傳壓等性能。

另外需要注意的是，在原料的選擇中應密切結合介質的結構，以使試塊的性能達到最優。

4   密封傳壓介質結構的選擇

　　除了密封傳壓介質的原料組成之外，試塊的結構同樣是影響其性能的主要因素。目前的設計方向主要在以下幾個方面。

4.1       擴大試塊的合成腔體

　　出于提高產品數量、質量等方面的考慮，人們一直希望能夠在擴大試塊的合成腔體上進行研究^[8、9]。經過多年的發展，這方面已經取得了較好的經驗。目前國內成熟的密封傳壓介質的結構尺寸可以達到邊長56mm，內腔中心直徑40mm甚至更大。腔體尺寸發展過程見表1。

　　經過20年的使用，實踐表明擴大試塊的腔體是提高產品數量和質量的途徑之一，仍然是今后密封傳壓介質設計研制的基本方向。另外，合成腔體的擴大與壓機的型號、頂錘尺寸、合成壓力溫度以及合成腔的裝配方式等密切相關，因此，設計時應綜合考慮以上因素。

4.2       方腔體密封傳壓介質

　　該試塊與目前普遍采用的試塊在結構上最主要的區別為采用了方腔體結構。該類型試塊的結構見圖2。方腔體結構試塊的設計方式在上世紀90年代時就引起了人們的注意，但是由于研究不夠深入，一直沒有正式投入生產。

　　相對于圓柱形腔體，方腔體試塊在合成金剛石時，腔體內部的受力情況可能更均勻。受力均勻的環境對合成高質量的人造金剛石更為有利，而且在另一方還可認為是一種擴大的腔體。可能能夠提高產品的質量和數量。

　　目前，方腔體的設計并未在生產上推廣使用。可能有以下方面的原因：

（1）       方腔體相對于圓柱形腔體的試塊加工成型困難，成品率較低。

（2）       適合方腔體的合成材料如石墨片、堵頭等需要配套制作。

（3）       方腔體合成超硬材料的適應性還有待驗證。

　　但是，最重要的原因還是人們對該類型試塊的認識不足，方腔體應該值得進一步研究和探討。

4.3       非立方體密封傳壓介質

　　由于考慮到合成環境的均衡問題，有人瘟提出非立方體的密封傳壓介質試塊。該試塊在結構上主在是沿合成腔軸向增長數毫米。其目的是改善合成腔體內加熱端與非加熱端的傳壓不均勻性。生產實踐證明，立方體葉蠟石試塊在使用過程中，試塊的六個面的壓縮量不同，導電面方向較非導電面方向試塊收縮量大。通過加大試塊導電方向尺寸可以彌補其收縮量過大的不足。試驗結果證明，長方體試塊的邊長尺寸必須選擇適當，否則可能適得其反。

4.4       試塊邊棱附近埋置加強筋

　　為了減少試塊爆錘的事故發生，經過分析，可以通過在試塊的邊棱附近埋置加強筋的辦法，增加試塊邊棱附近的密封性[10]。該試塊的示意圖見圖3。經過試驗得出：埋置加強筋的試塊在壓機負荷相同的情況下，樣品受到的壓力略高于普通試塊樣品受到的壓力，并且埋置加強筋的位置也是試塊在爆錘時被擠壓沖出的位置。在該處埋置加強筋，能夠有效地防止高溫高壓下爆錘事故發生。另外，從試驗結果來看，加有加強筋的試塊在與沒有加強筋試塊在加熱功率相同條件下，兩者樣品心心溫度基本接近。由于該類型試塊缺乏足夠的深入研究，沒有合適的數學模型進行設計指導，研究進展緩慢。

圖3　加有加強筋的固體密封傳壓介質結構示意圖

5     試塊配料及壓制工藝

5.1       密封傳壓原料的粒度配比

　　為了便于生產和滿足產品的使用性能，在壓制前礦物原料需要按照一定的粒級進行配比。粒度偏粗，試塊不易成型，并且表面粗糙，光潔度較差，但是傳壓效果較好；粒度偏細，試塊容易成型，表面光潔度高，而且密封性能好。在研制過程中，常常結合最緊密堆積原理進行粒級配料（實際上不一定完全吻合，需根據實際情況確定最佳粒級）。密封材料一般按照粗、中、細三個粒級進行配料，內層傳壓層根據情況分粗、細兩個級別進行配料。需注意的是密封材料與傳壓材料的粒級不一致。

　　另外，正如本文前面所述，必要時可進行葉蠟石等原料的選礦，以滿足物料成分的需要。由于選別后的物料粒度較細，對選后的物料應進行造粒，以滿足壓制需要。

5.2       試塊壓制成型

　　密封材料與傳壓材料分別加成型劑混料后，可在專門設備上根據技術要求進行粉壓成型。應特別注意試塊的成型尺寸以及密度。

5.3       粉壓成型試塊的熱處理

　　天然密封傳壓材料具有一定的結晶水，而且容易潮解。為了保證良好的使用效果，在天然密封傳壓材料機械壓制成型后，需要進行適當溫度的焙燒，使其礙度均勻、內部應力下降，并且防止潮解。重要的是經過一定的熱處理可以提高其內摩擦系數，增加密封保溫性能，提高其使用效果。不同的密封傳壓材料應有不同的焙燒工藝，應根據試驗結果論證采用。焙燒后的試塊應經過質檢，然后按要求貯存。

6   結論

　　目前超硬材料合成工業發展迅速，無論從原料的選擇還是結構的設計等方面密封傳壓介質的研制研究刻不容緩。由于影響密封傳壓介質性能的因素較多，而且試驗成本較高，今后的工作中應避免盲目，應結合生產實際情況，總結密封傳壓介質的合成規律，研制出適合我國超硬材料合成工業實際情況的密封傳壓介質。另外，密封傳壓介質在研制中除了原料與結構的研究外，應特別注意密切聯系合成工藝以及合成設備。不顧合成工藝及合成設備而獨立進行密封傳壓介質的研制是行不通的。

參考文獻：

[1]　郝兆印，賀義興.高溫高壓條件下葉蠟石對金剛石單晶生長的影響[Ｊ].人工晶體學報，1997，26（3）：342

[2]　張振禹，汪靈.葉蠟石加熱相變及其演化特征[Ｊ].硅酸鹽學報，1998，26（10）：618－623.

[3]　魏存弟，趙峰，馬洪文，等.葉蠟石加熱相變及其演化特征[Ｊ].吉林大學學報（地球科學版），2005，35（2）：150－153.

[4]　陳天虎，王道軒，方嘯虎，等.白云石內襯材料在合成金剛石傳壓密封介質中的作用[Ｊ].高壓物理學報，2001，15（4）：291－295.

[5]　徐文炘，郭陀珠，韋家親，等.青田山口葉蠟石傳壓介質初步研究[Ｊ].礦物學報，2001，21（3）：544－546.

[6]　陳天虎，王道軒，方嘯虎，等.合成金剛石生產中葉蠟石傳壓密封材料礦物學研究[Ｊ].礦物學報，2001，21（3）：547－550.

[7] 徐國平，鄭日升，梁紅原.葉蠟石的礦物成分對合成金剛石的影響[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2005（2）：64－66.

[8]　王秦生，左宏森.合成壓機和腔體大型化是金剛石制造業發展的必然趨勢[Ｊ].新材料產業，2010（1）：34－36.

[9]　李飛躍，李啟泉.論大腔體合成金剛石技術中的幾個問題[Ｊ].礦冶工程，2003，23（5）：79－81.

[10]　金志升，朱成明，蔡恩照.一種高溫高壓下防止試塊爆炸的新技術[Ｊ].礦物學報，1997，17（3）：297－300.

作者簡介

楊炳飛，男，1979出生，北京科技大學在讀博士研究生，講師，主要從事金剛石合成用密封傳壓介質原料及制備工藝研究。