超高压技术在材料合成中的应用

压力（强）对于大家并不陌生，就像温度一样是我们生活中常见的一个非常重要的热力学要素。我们在厨房里使用高压锅做饭，我们在高压气罐里储存液化石油气作为燃料，我们给自行车的轮胎里充入气体，一般情况液体或气体压力在0.1mp～1.6mpa称为低压，1.6mpa~10mpa称为中压，10～100MPa称为高压，100MPa以上称为超高压.本文阐述的UHP技术的压力通常在100～1000MPa.或更高。而把液体或气体加压到100MPa以上的技术称为“超高压技术”（ultra-high pressure, 简称UHP）。

       高压科学与技术是一门相对年青、正处在加速发展阶段的新兴学科，宇宙中的绝大部分凝聚态物质均处在高压状态下，在超高压极端条件下，凝聚态物质中的原子/分子距离将缩短，相互作用显著增强，原子内层电子可参与成键，原有的结构会被破坏，导致结构相变、物性变化(改变电磁相互作用状态)及核子间的强相互作用（核反应），合成新材料，甚至出现新的物理现象。因此，物质在超高压等极端条件下的行为研究被视为未来最有可能取得重大科学突破的研究领域，可广泛应用于国防、新能源、新材料、地学、行星科学、化学、凝聚态物理、生物医学等领域。其中应用于材料领域最经典的例子为人造金刚石、立氮化硼(cBN)等超硬材料的高温高压合成。高压科学与技术领域按实验条件分为动高压与静高压。动态超高压技术是利用冲击波作动力而在试样中获得的瞬时高压，动态产生的高压数值，可高达几百万甚至几千万个大气压，同时伴随着骤然升温。利用外界机械加载方式，通过缓慢逐渐施加负荷挤压所研究的物体，而使其内部产生很高的压力，称为静态高压。静高压技术又可分为压砧（小腔体）技术与大腔体（样品尺寸大于1mm3）静高压技术。上世纪七、八十年代发展起来的金刚石压砧技术（Diamond anvil cell：DAC）与同步辐射光源等实验手段的结合，可原位观测凝聚态物质在极高压力条件下的结构及物性行为变化，并发现各种奇异的物理现象。大腔体静高压装置始于上世纪初Bridgman等发展的高压技术，主要包括两面体与多面体压腔装置。大腔体静高压装置可以合成出可实际应用并进行全面物性表征的体材料，是人造金刚石、立氮化硼等超硬材料工业生产的主要设备。

       人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义。自1955 年G. E. 公司的Bundy 等人首次通过静高温高压法利用金属催化剂与石墨成功合成出金刚石以来, 金刚石在物理、化学和材料学领域引起了众多科学家的关注. 超硬材料能够如此迅速地发展到目前的水平主要应该归功于静态超高压设备的不断发展与完善和能起催化作用的一系列过渡金属元素及其合金的发现. 目前在高温高压领域中金刚石的合成取得了巨大的进展。我国在1963 年成功地合成出了人造金刚石,成为早期能够合成金刚石的少数国家之一. 目前, 我国的磨料级金刚石的生产已经形成为庞大的产业, 年产量70000000g, 居世界第一位。然而我国虽然是金刚石生产大国, 但不是金刚石强国.在我国众多的金刚石合成企业中, 多数企业对金刚石合成的原理了解甚少, 基本处于盲目生产的状态中, 部分厂家的合成工艺存在很多不合理的地方. 因此我国的金刚石目前在国际上还处于中低端水平, 高档的产品仍需大量进口。