金刚石是一种性质卓越的功能材料，广泛的应用到工业、科技、国防、医疗卫生等诸多领域，在促进工业发展方面发挥着举足轻重的作用。 工业金刚石的广泛应用使得其合成技术进步异常迅速。80年代末期，德国Winter公司成功的在两面顶压机上开发出粉末触媒合成粗颗粒高强度金刚石工艺，实现了粉末触媒合成高品级金刚石的工业突破，由于采用粉末触媒合成金刚石具有单产高，原辅材料消耗小，合成晶体质量好等优点，90年代以来，国际著名的金刚公司均采用粉末触媒进行粗颗粒高强度金刚石的生产，并垄断了高档金刚石的国际市场。我国是金刚石生产大国，但产品多占据国际市场的中低段，其主要原因在于落后的组装、落后的金刚石合成工艺。因此，自主研发粉末触媒的合成工艺是提高我国人造金刚石国际竞争力的关键。 在诸多影响人造金刚石性质的因素中，触媒的影响是首要的。目前我们国内所用触媒的种类比较单一，合成金刚石的种类也比较单一，金刚石的质量不高。为了扩展合成金刚石所用触媒的范围，合成不同特性的金刚石，需要研究非金属元素添加剂在合成中的作用。在元素周期表中，硫是一种离碳元素比较近的非金属元素，在高温高压条件下硫单质也是一种合成金刚石的触媒[40]，合成所用的压力和温度条件均比金属触媒高，合成的晶体特征也有别于金属触媒合成的金刚石。天然金刚石多产生于地壳中的金伯利岩和钾镁煌斑岩，该岩层中含有非金属元素硫，天然金刚石中的包裹体通常为硅酸盐矿物和硫化物[41]，因此研究添加剂硫在合成金刚石中的影响是认识天然金刚石成因的重要方面。金刚石中的添加剂硫与其它杂质的混合物是潜能级的施主杂质[39]，利用CVD方法研究添加剂在金刚石薄膜的作用是一种有效的手段，同样利用高温高压手段来研究添加剂在金刚石单晶中的作用也是不可缺少的。 本文以金刚石合成的溶剂理论为指导，借鉴工业金刚石合成的一般规律，并结合国产六面顶压机的特点和粉末触媒的特性，提出了粉末触媒高温高压合成金刚石的两阶段升温升压工艺，系统的考察了该工艺中主要工艺参数(暂停时间，暂停功率和台阶压力)对粉末触媒合成金刚石的影响。实验结果表明，在其他条件相同的情况下，随着暂停时间的加长，金刚石的成核率降低，产量降低，晶形的完整率提高；随暂停阶段的温度的增加，金刚石的成核量和产量呈减少趋势；台阶压力高，成核较多，台阶压力低，成核少，同时低台阶压力的合成结果表现出合成腔体的温度较低。并在此基础上，找到了粉末触媒合成优质粗颗粒金刚石单晶的最佳工艺，合成出透明度高，包裹体少的粗颗粒优质金刚石晶体，从实验上证实了二阶段升温升压工艺有利于合成出优质金刚石单晶。 在认识硫及其硫化物的基础上，研究了添加剂硫对镍锰钴粉末触媒合成金刚石的影响。实验结果表明：添加剂硫对金刚石的成核有抑制作用，随着添加剂硫含量的增加，金刚石的成核呈减少趋势。添加剂硫影响晶体的颜色，随着添加剂硫含量的增加，晶体中的杂质含量增加，晶体的颜色逐渐由黄色变为绿黄色，变为黑黄色。添加剂硫影响晶面的完整性，特别对(100)面的生长影响较大，容易在(100)晶面上形成孔洞，而(111)晶面较少，当添加剂的量较大时，生长完整的晶体困难。基于添加剂硫的影响以及腔体的物性变化，进行了工艺改进研究。结果表明：对于含添加剂硫粉末触媒合成金刚石在两阶段升温升压工艺基础上，适当的缩短暂停时间，缓慢抬高保压压力，缓慢降低合成功率，有利于合成完整晶体，但当添加剂硫的含量较高时，仅靠调整工艺来提高晶体质量困难。 研究了添加剂硫对铁镍粉末触媒合成金刚石的影响。结果表明：添加剂硫也影响金刚石(100)晶面的生长，在(100)容易形成孔洞，随着添加剂含量的增加，晶体中的包裹体杂质含量有减少的趋势，晶体的透明度增加。 借助于扫描电镜(SEM)我们观察含有添加剂硫的粉末原料高温高压合成金刚石表面形态，发现：无添加剂硫参与合成时，Ni70Mn25Co5粉末触媒和Fe70Ni30粉末触媒合成的金刚石，表面均比较光滑平整，在晶体的(100)晶面上均由“枝状”的生长纹路，(111)晶面生长纹路不明显。有添加剂硫参与合成时，两种粉末触媒合成的晶体表面的完整性具有不同程度的破坏，尤其是(100)晶面，随着添加剂硫含量的增加，晶体的表面出现孔洞缺陷，孔洞的形状多为不规则的“蜂窝状”。在孔洞缺陷内部，均能观察到层状的生长结构。同时，对于添加剂硫-Ni70Mn25Co5粉末触媒-石墨粉体系高温高压合成的金刚石，添加剂硫的含量较低时，金刚石的(111)晶面上有许多规则的方形或菱形的规则凹坑；随着添加剂硫含量的增加，不仅(100)晶面有孔洞缺陷，(111)晶面也出现大量的孔洞缺陷，晶体变得更加不完整；同时(100)晶面的孔洞缺陷里面时常成核向外生长，易在(100)晶面或者(110)晶面生长籽晶。对于添加剂硫-Fe70Ni30粉末触媒-石墨粉体系高温高压合成的金刚石，除晶体的(100)晶面有孔洞缺陷外，晶体的(111)晶面受添加剂含量变化的影响较小。 借助于电子探针，我们研究了添加剂硫[1％(wt)]-Ni70Mn25Co5粉末触媒-石墨粉体系高温高压合成的金刚石表面的杂质分布，结果表明：表面的杂质元素的含量分布是不均匀的，相对而言，Mn在表面的含量较高。对于晶体的(100)晶面，表面的Ni，Mn，Co杂质含量均较高。样品中心Mn的杂质含量比边缘高出一个数量级，在正常光亮平滑(光学显微镜观察)的地方S杂质的含量低于仪器的分辨率，而在凹坑处检测到了相对含量较高的硫。相对(100)晶面而言，晶体的(111)晶面，杂质的相对含量总体较低，Co和Ni较少，Mn较多，S的含量较少。 借助于X射线荧光光谱仪(WDXRF)我们分析了含硫金刚石中的杂质元素与原料中添加剂硫的关系。结果表明：随着原料中添加剂含量的增加，镍锰钴粉末触媒高温高压合成的金刚石中的硫杂质含量大致呈增加趋势，锰杂质含量呈增加趋势，而镍杂质没有十分明显的规律性。 利用金刚石冲击强度检测仪研究了含硫金刚石的机械性能，结果表明：随着原料中添加剂含量的增加，镍锰钴粉末触媒高温高压合成的金刚石的冷冲击强度(TI)和热冲击强度(TTI)都呈减少趋势，间接的说明随添加剂含量的增加，NiMnCo+石墨粉+添加剂硫体系高温高压合成的金刚石，所含的包裹体含量增加。