金刚石单晶微粉通常指粒度在0.1~54μm之间的超细磨料，主要用于工件表面的超精密光整加工。目前大部分人造单晶金刚石都是采用静态高压法合成，然而该方法设备复杂、工艺苛刻，难以合成细粒度的金刚石单晶颗粒，因此工业上所需的微粉级金刚石（38m以下）几乎都是采用机械破碎中细颗粒单晶金刚石的方法来制备。但是这种方法工艺流程极其繁琐，提纯及粒度筛选工作耗时长，使得生产效率受到严重制约，且经过破碎获取的金刚石微粒形状杂，品级低，即使经过适当的整形处理，仍不能获得满意数量的较高品级微粒，严重限制了抛光研磨质量的进一步发展，因此迫切需要寻找新的方法来提高金刚石微粉的品级。化学气相沉积法（Chemical VaporDeposition, CVD）合成的单晶金刚石具有晶形完整、表面光洁、品级高等优点，且制备工艺简单易控，使得利用CVD法制备高品级单晶微粉成为可能。但目前针对CVD金刚石的研究主要仍集中在金刚石薄膜及宝石级大单晶的制备及应用上，对于化学气相沉积合成高品级超细金刚石单晶颗粒的技术，无论从生长机制、质量控制，还是CVD合成工艺、质量评价等方面都有待深入研究。本文以热丝化学气相沉积（HotFilament CVD, HFCVD）法为基础，以实现在大面积衬底上同时合成数颗形貌规则、表面光洁的金刚石单晶颗粒为目的，并避免颗粒成团、成膜以及双晶、多晶、晶形较差等次级金刚石微晶的问题，研究化学气相法合成高品级单晶金刚石微粉的新方法，揭示该项技术颗粒金刚石生长的新机制，开发高品级单晶金刚石微粉生长的合理CVD新工艺，为化学气相法合成高品级单晶金刚石微粉技术工业化应用奠定基础。本文主要完成的研究工作可以概括为以下几点：1. HFCVD系统沉积金刚石单晶颗粒物理场的优化仿真。采用有限容积法，利用FLUENT仿真软件，耦合热辐射、热对流以及热传导三种传热机理，对HFCVD系统沉积单晶金刚石微粉过程中物理场的分布状况进行研究，着重探讨热丝、进气口排布方式对衬底温度、衬底周围气体温度、气体流速及密度场分布的影响及其优化方案，结果显示：热丝根数是扩大金刚石均匀生长面积的最直接有效手段，热丝半径则直接决定衬底温度的高低；多个进气口均匀排布的送气方式，可在一定程度上提高衬底周围活性粒子的数量，并显著改善衬底及热丝周围气体流场的均匀性。通过仿真优化使得衬底各个位置金刚石颗粒的生长环境趋于一致，有助于获得晶形、颗粒尺寸均匀的单晶颗粒。2. HFCVD制备有籽晶金刚石单晶颗粒的机理研究。采用基体播种籽晶法，以传统机械粉碎法制备的金刚石微粉为籽晶，揭示了多颗籽晶同时均匀生长、晶种表面缺陷修复、高品级立方-八面体单晶颗粒合成、颗粒抑制成膜的基本原理。开发了光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种的新工艺，可有效解决W1~W15粒度的晶种团聚及分布不均的问题。在此基础上，着重探讨了沉积工艺参数对有籽晶单晶颗粒合成的晶体形态、金刚石纯度、生长速率、及颗粒抑制成膜的影响。实验结果显示，4500Pa的反应压力可有效避免颗粒成团、成膜的发生；800-900°C的衬底温度以及1.3%~1.4%的碳源浓度可抑制自发及二次形核的产生，促进理想晶形的形成；而相对较低的偏流强度（1A）对颗粒抑制成膜及生长速率的提高起到正面作用。在优化的沉积参数下，晶种缺陷被逐渐修复，颗粒最终呈现出高品级金刚石单晶的形态特征。3. HFCVD制备无籽晶金刚石单晶颗粒的机理研究。采用基体自形核法，以抑制晶粒成膜为思路，打破传统CVD自形核金刚石膜的制备理念，针对大面积衬底上多颗单晶颗粒同时生长的要求，对形核与生长的机理进行深入研究。在此基础上，提出利用短时间均匀机械研磨衬底的方法，获得较低的形核密度（106cm-2），从而实现核体均匀分散的目的。采用正交实验法，分别对无籽晶单晶颗粒形核、生长阶段的工艺参数进行优化分析，结果显示：反应压力对颗粒形核阶段的影响最为显著，较高的反应压力（>3000Pa）有助于单晶核体的形成，在后续的生长过程中，辅助以合理的生长工艺（3Kpa反应压力、2.0%碳源浓度、950°C衬底温度、4A偏流、沉积时间120min），颗粒可呈现出表面光洁的六-八面体或二十面体聚形晶体形态。4.掺硼工艺对CVD金刚石单晶颗粒合成影响的研究。在氢气-丙酮HFCVD反应体系中引入硼酸三甲酯（B(OCH3)3）作为硼源，针对有籽晶、无籽晶两种金刚石单晶颗粒生长模式，揭示了掺硼工艺对CVD金刚石单晶颗粒生长特性及颗粒抑制成膜的影响。有籽晶颗粒沉积实验的结果显示，本征环境可以有效抑制衬底自发形核的产生，但金刚石的生长速率相对较低，尤其对大粒度籽晶（5μm）进行修复时，耗时较长，生产效率受到限制。而掺硼工艺对有籽晶单晶颗粒的生长速度有着明显的提高效果，且含硼基团可填补原子空位，从而加速籽晶表面缺陷的消除；但重掺情况下，自发核体团聚、连膜现象非常严重，且所修复颗粒金属化趋势明显，致使金刚石纯度大幅降低。相较之下，掺硼浓度为500ppm时较为合理，能以较快的生长速率修复籽晶表面缺陷，获得形貌完整的单晶颗粒。另一方面，无籽晶颗粒沉积实验也同样表明500ppm的掺硼浓度为较优工艺，有助于金刚石的合成速率的提高。5. CVD金刚石单晶微粉的制备及质量评价。首先，针对有/无籽晶两种晶粒密度控制方法，对优化后的CVD单晶微粉沉积工艺进行总结：采用有籽晶法，通过选取不同粒度的晶种并结合本征或弱掺硼工艺，可获得平均尺寸为2~13μm的CVD单晶微粉；而采用无籽晶法并结合弱掺硼工艺，可获得平均尺寸为0.3~2μm的CVD单晶微粉。为实现衬底颗粒的有效脱附和收集，提出了化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒的新工艺，可获得较纯净的自支撑单晶微粉。再次，采用机械粉碎法金刚石微粉的行业标准（JB/T7990-2012）并结合高品级单晶金刚石的晶形评价指标，对CVD有/无籽晶金刚石单晶微粉的粒度组成、晶形质量等进行检测。结果显示，有/无籽晶两种单晶微粉中70~80%的颗粒都具有高品级六-八面体或二十面体晶体形态，且颗粒表面无明显生长缺陷，与传统机械粉碎法金刚石微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，将尤为适合高精密器件的抛光加工。