爆轰法多晶金刚石生成机理研究

The focuses of generation mechanism research of Detonation Polycrystalline Diamond (DPD) are the behavior of the carbon in the explosive and the extra graphite carbon in the process of detonation and the phase transformation in meso-structure changing into diamond. It makes a difference to complete the research and reveal the essence. The main researches include: (ⅰ) the influence of explosive detonation performance by the extra graphite carbon, thermodynamic and kinetic condition of transforming DPD and the association between the extra graphite carbon and carbon phase diagram; (ⅱ)the phase transformation types and relationships of the carbon in the explosive and extra graphite changing into DPD; (ⅲ)the existing states of the free carbon in explosive and the extra graphite in different detonation stages; (ⅳ)the main stage in which DPD generates; (ⅴ)the causes of special morphology and particle distribution of DPD; (ⅵ) the critical conditions to optimize generation of DPD. The project intends to test and analyze the raw detonation materials, detonation products and detonation processes by experiment and simulation. On the basis, a reasonable generation mechanism and phrase model of DPD are put forward, referenced by the research methods and experience on synthesis mechanism of detonation-nanodiamond and shock-wave-diamond. Finally, the research will promote the development of detonation theory , enhance the preparation technology of DPD, and makes a contribution to the new industries, such as LED, LCD, optical communications etc.

爆轰法多晶金刚石（DPD）生成机理研究的是炸药中的碳和外加石墨碳在爆轰过程中的行为状态和转变为金刚石的细观相变历程，对揭示这一方法的理论实质，促进其完善与发展十分重要。主要研究内容包括：①外加碳源特性对炸药爆轰性能的影响、能够生成DPD的热力学和动力学条件及与碳相图的关联；②炸药中的碳和外加的石墨转变为DPD的相变类型和关系；③在爆轰过程各阶段来自炸药的游离碳和外加碳的存在状态；④DPD主要在爆轰过程的哪个阶段生成；⑤DPD的特殊形貌及其颗粒度分布的成因；⑥对DPD生成中关键条件的优化。本项目拟采用实验和模拟的手段，通过对爆轰原材料、爆轰产物和爆轰过程的测试分析，在现有成果的基础上，借鉴爆轰法纳米金刚石和冲击波法金刚石合成机理的研究方法和经验，提出合理的DPD相变模型和有说服力的生成机理描述。藉此促进爆轰理论发展，提升DPD制备技术水平，为加强我国 LED、LCD、光通信等新兴产业做贡献。

直接爆轰法合成金刚石的机理研究较少，对于技术进步和应用具有实际意义，采用实验和模拟开展了研究。.I．通过对不同晶态的碳源和爆轰合成的金刚石的结构和形貌分析发现：结晶完整的石墨生成的金刚石中同时存在立方和和六方两种晶型，而无定型碳和微晶碳则生成单一立方晶型的金刚石，其晶粒度的与微晶的结晶完整程度相关。外加碳源的颗粒度和含量影响DPD的颗粒度分布、形貌和转化率，而且粒度对DPD转化率的影响要远大于含量。在用炸药RDX和HMX与石墨配合的实验中得到了相应的DPD生成的温度压力条件。.II． 从不同晶态的碳源合成得到的产物金刚石的结构特点可以判断出，DPD中的碳是来自外加碳源，在没有外加碳源纯RDX爆轰条件下不能得到DPD。从石墨与DPD颗粒度的关联结果可知，DPD的颗粒度分布主要取决于石墨的颗粒度，聚晶形貌在于大颗粒石墨的原位相变和小颗粒石墨的相变和聚结过程。RDX中少量的未被氧化的碳会以无定型碳的形式存在于爆轰产物中。.III．根据传统碳相图和基于尺度效应的爆轰纳米金刚石（DND）的碳相图，外加碳源在炸药爆轰的压力和温度条件下主要发生原位相变，其中小颗粒的石墨颗粒要经历熔化聚结过程；非晶态的碳源则要经过游离和融聚过程，应以扩散相变为主，形成聚晶金刚石。.IV．外加碳源完整晶态的以发生原位相变为主，无定型的碳源以扩散相变为主；由于在炸药爆轰波作用下，外加碳源要经历微细化过程，由于小尺寸效应导致熔点降低，在爆轰热力学条件下融聚长大，相变形成无规则的聚晶金刚石形貌；宽颗粒度分布主要是在以石墨为碳源的前提下。.V．在炸药爆轰的反应区和膨胀区的起始段为外加碳源相变生成金刚石的阶段，膨胀阶段后期则是金刚石的石墨化区，最后得到DPD的量取决于两个阶段的相变的共同结果。.VI．影响DPD合成的关键因素首先是炸药爆压和爆温，从RDX何HMX炸药与石墨体系的实验得出，爆压和爆温的起始点分别在12Gpa和2000K，越高越好；外加碳源的结晶程度要尽量高，颗粒度要结合炸药粒度考量；当然保护介质必不可少。