经过多年的试验及理论探索,静态高温高压触媒法合成立方氮化硼(cBN)在合成工艺上取得了很大进展,但是仍然缺乏对其合成机理的深入的研究。由于合成cBN是在不透明的高温高压密闭腔体中进行的,以目前的实验手段,要想实现对其实时检测是非常困难的,难以得知cBN在合成时的真实状况。对合成块进行快速冷却,可以将高温高压下的信息最大限度地保留下来,然后通过表征分析快冷后的cBN单晶及其表面包裹物的组织形貌、物相结构等,同时结合热力学计算分析合成过程中的各反应可能性及cBN形核生长过程,获得与cBN转变及生长的相关信息,为cBN转变机理的研究及cBN大颗粒单晶的获得提供一定的帮助。本文以氮化锂(Li3N)为触媒、六方氮化硼(hBN)为实验原料,经静态高温高压合成cBN单晶。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)对合成块中cBN/触媒界面、cBN单晶表面及合成前后hBN的组织形貌进行了分析,探讨cBN单晶的转变及生长环境,hBN反应前后的形貌变化,对cBN生长的作用等。利用X射线衍射仪(XRD)分析了cBN单晶周围包裹物中所含的物相结构及其含量。利用经典热力学研究高温高压合成cBN体系,通过计算各物相间可能发生的反应的Gibbs自由能大小,分析各反应发生的可能性大小,从热力学角度探讨cBN转变机理。同时还计算了温度和压强条件对cBN的形核及生长的影响,从理论上分析了获得大颗粒单晶所需的温度和压强条件。通过对cBN单晶/触虫媒界面处组织形貌的SEM观察发现：在cBN单晶的表面粘有许多小颗粒。在cBN/触媒界面处观察到类膜结构紧贴着cBN单晶晶面,呈点状和树枝状,这是由高温高压熔体快速冷却形成的熔体形貌。距离cBN晶面不同距离处物相组织形貌是不同的,紧贴cBN晶面的为细小的点状和枝条状,较远处(大约20μm左右)呈片状形貌。通过对比hBN在反应前后的形貌,可知在cBN单晶周围的片状物中含有hBN。利用AFM在cBN单晶的(111)晶面观察到了台阶形貌,在cBN(111)晶面有大小不同的台阶,大台阶尺寸长度在2μm左右,小台阶长度在4μm左右,同时在cBN(111)晶面上观察到了小颗粒,这些小颗粒均出现在cBN的凹坑处,而在cBN(110)晶面上颗粒较大。利用XRD对cBN单晶周围的物相结构进行表征,发现在cBN单晶表层的不同距离处物相结构均相同,含有hBN、cBN、Li3BN2、Li2O和Li2CO3等结构。其中hBN是主相,cBN含量要相对少得多,相似的是均未发现原始加入的触媒Li3N。由于各层中hBN都为主要物相,故hBN含量对cBN的转变不会产生影响。cBN在各层中并不是均匀分布的,在距离cBN晶面的中间层中含量最高,高于cBN界面。而触媒中间相Li3BN2的含量由外层到界面含量逐渐减少,只有含量适中的Li3BN2才会最大限度地促进cBN的转变。试样中检测到了Li20和Li2CO3等物相,推测二者可能是在cBN转变过程中由Li3N产生Li20,制样过程中Li20与CO2反应生成了Li2CO3。本文以经典热力学第二定律为依据,考虑温度和压强对各个反应物相体积的影响,计算了高温高压合成cBN过程中可能反应的Gibbs自由能的大小,分析了各反应发生的可能性大小。计算了Li3N-hBN体系中反应hBN+Li3N→Li3BN2、hBN→cBN及Li3BN2→Li3N+cBN反应在高温高压合成条件下的Gibbs自由能变化。计算发现：hBN+Li3N→Li3BN2(?)很容易发生,Li3BN2是由Li3N与hBN在高温高压特定条件(T>1300K,P>3.0GPa)下反应得到的,在体系升温升压过程中就产生了Li3BN2。在cBN合成条件下,hBN和Li3BN2都有可能生成cBN,但是hBN转变为cBN的可能性比Li3BN2转变的可能性要大。在合成条件T=1700K、P=5.4GPa时,hBN向cBN转变的自由能比Li3BN2转变为cBN的自由能负23.3996kJ·mol-1,因此从热力学角度分析可知,在高温高压合成cBN的过程中hBN直接转变为cBN的可能性较大。本文还从非均匀形核的角度分析了cBN的形核半径及形核功受温度和压强的影响,计算了cBN的生长线速度。发现临界晶核半径受温度和压强的影响较明显：相同温度下,压强越小形核半径越大,较小压强下临界晶核半径随温度升高而显著升高。形核功的变化趋势同临界半径,但生长速度不同于临界半径的变化。不同压强条件下速度随温度的变化趋势都是先增大至一定值然后下降。在5.5GPa条件下,生长速度要大于其他压强下的速度。在5.5GPa时cBN的形核半径和形核功相对较小,形核较容易,形成的cBN小晶核较多,并且在较高压强下熔体的流动性较大,便于cBN小晶核继续长大。通过粒度分析发现,在hBN-cBN相平衡线附近cBN的粒度较大。因此要获得大颗粒的cBN则适合选择中等压强条件和较高的温度。