金刚石

金刚石（English : diamond），一种由碳构成的矿物，与石墨是同素异形体，主要分为天然钻石和人造钻石。碳原子间SP杂化轨道成键形成的立方晶体无色透明、具有高压力稳定性的超硬材料与石墨一起构成碳的代表性同素异形体。它具有稳定的化学性质和非凡的硬度、折射率好，色泽炫丽。可由静态法、动压法、人造金刚石通过化学气相沉积等方法制成。金刚石已广泛应用于机械行业、光学、电子学、珠宝等领域。

钻石，原名来源于希腊语“adams”，即“无敌”之意。首先发现钻石的国家是印度。2800多年前，安得拉戈尔康达王国（现在印度）克里希纳河彭纳河及其支流都曾大规模开采钻石。18世纪中叶之前，Golconda是世界上最大的钻石供应商。

17世纪中期，巴西处于皮奥、在米纳斯吉拉斯和其他地方发现了钻石砂矿自此，巴西取代印度成为世界钻石田的主要来源地。

1866年，在南非首次发现了钻石，这是全球钻石勘探史上的历史性变革。这颗钻石是丹尼尔雅各布斯（Daniel Jacobs）她的女儿在开普敦省金伯利市西部的霍普镇（关于霍普镇）附近的奥兰治河（No  Orange River）边玩耍时发现的。它于1869年在南非被再次发现'南非之星'此后，在南非联邦掀起了寻找钻石的高潮，在奥兰治河及其支流瓦尔河也有了许多大规模的发现、优质钻石砂矿在接下来的几年里，南非发现了许多原生金刚石矿床。随后，苏联、澳大利亚、扎伊尔、中国和其他国家也发现了钻石。

因为钻石数量太少，人类开始尝试人工合成钻石。法国化学家莫瓦桑（H.Moissan）认识到自然界中的石墨在高温高压下转化为金刚石，于是设计了一个石墨转化为金刚石的实验来模拟自然过程。他将多层石墨溶解到新熔化的钢中，并试图利用液态钢快速冷却后铁变成固体时形成的强大压力，石墨迅速变成钻石。1880年，英国科学家汉内（J.B.Jannay）据报道，他将碳氢化合物骨油和锂的混合物密封在熟铁管中，加热到炽热以制备钻石。1955年，美国通用电气公司研发中心的科学家本迪（F.R.Bundy）霍尔（H.T.Hall）还有的做出了突出贡献，他们的方法攻克了高温高压工程、材料、测试等困难，石墨和碳质材料首次在金属熔体中成功转化为金刚石。

岩石底部的热状态和氧逸度有显著差异。所以这个区域是一个理想的区域，在这里平衡气体成分会向上迁移，变得不平衡。金刚石的成核过程需要甲烷的氧化或二氧化碳的还原，这容易发生在岩石圈斜坡与软流圈的交汇处。因此，来自软流圈的一氧化碳（或CH₄）气体可以在岩石圈的底部被还原（氧化）而是沉积在矿物颗粒之间，最终形成金刚石。因此在岩石圈-软流圈与金刚石的界面-金刚石可以在由石墨相变表面限定的透镜状区域中形成。而且不同深度的钻石形状也不一样。研究表明岩浆温度、岩浆停留在地壳中的时间、氧逸度是影响金刚石稳定性的重要因素。在这些因素中，氧气逸出对环境的影响最大。当氧气浓度越大、温度越高、当金刚石迁移时间延长时，金刚石容易被氧化，难以保存。

金刚石矿床呈a型分布（25亿年）克拉通和P型（16亿到25亿年）克拉通上。目前，世界上主要的钻石矿都集中在南非、西伯利亚、北美、西非、中非和澳大利亚的六个A型克拉通。目前，世界上已有48个国家发现了钻石。

金刚石结构可分为等轴四面体立方体和六方晶系。除了面心立方晶胞所含的原子外，其内体对角线上还有四个原子。每个钻石结构的通常原始细胞总共包含8个原子。这种结构类似于原来重叠的两个面心立方子点阵，沿体对角线移动1/4套构而成。虽然它由相同的碳原子组成，但顶点和面心的原子取向与常规原胞中的不同，因此金刚石结构不是Braffe晶格而是复合晶格。金刚石结构的Braffe晶格为面心立方，初级原胞为平行六面体原始细胞包含两个相同的原子，它们位于（0,0）和（1/4，1/4，1/4）处。下图显示了菱形结构的常规单元

碳原子形成金刚石时，碳原子2s和三个2p轨道sp杂化后会形成四个相等的SP杂化轨道，每个SP杂化轨道有1个/4的s成分和3/4，所以它们具有相同的形状。它们的对称轴以一定角度相交，并指向四面体的四个顶角。通过这种杂化轨道，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成四个“头碰头”适马共价键碳碳单键的方向性和饱和性。晶体中没有自由电子，所有价电子都参与成键，金刚石表面的碳原子有一个悬挂键。SP杂化轨道形成的正四面体结构可以存在于立方晶系，也可以存在于最密的六方晶系。因此，钻石有两种不同的晶体结构-六方金刚石和立方金刚石。

钻石是元素碳，石墨是元素碳、黑金刚石、富勒烯等矿物是均匀的多面体，属于等轴晶系。在形成过程中由于外界环境的影响，晶面往往、晶棱受到熔蚀（或溶蚀）而呈弯曲不平。熔融侵蚀与其形成过程中的氧逸度有关，氧逸度低往往导致更多的熔坑。晶形常为圆形，晶体表面常出现三角形、四边形、网状、锥形等凹陷（这就是蚀象）

理化性质

硬度和耐磨性

钻石是当今世界上最坚硬的物质具有优异的耐磨性和磨削性能，超过任何一种磨料。其莫氏硬度达到10，维氏硬度达到98GPa。不同矿床的钻石硬度不同，同一矿床产出的不同颜色的钻石硬度也不同。包裹体的存在也会影响金刚石的硬度。内含物越多，钻石的硬度越小。

脆性

金刚石脆性差，在小的冲击下会沿解理面断裂。含有夹杂物和破碎的金刚石碎片，抗冲击性较差。

比重

比重质纯、结晶良好的钻石的比重为3.52。由于钻石晶体中包裹体的种类和数量不同，钻石的比重也不同，一般为3.47~3,56。大多数含石墨的夹杂物比重很小。

光学性质

颜色

纯钻无色透明，但很少见。大多数钻石晶体有不同的颜色，最常见的是黄色、浅黄色、绿色、浅绿色、棕色和浅棕色，其次是橙色、黑色等。红色、蓝钻很罕见。

光泽

根据钻石光泽的强弱，可分为强、中、弱三种。

透光率、折射率

钻石具有高透光率和高折射率把它磨成细小的颗粒，可以反射更多的光线，让它看起来更亮；高分散也会使金刚石产生“光彩”原因是白光被钻石专门色散成单色光。钻石的色散值是天然宝石中最大的。理论分析表明，纯钻石应该是无色的。它可以穿透各种波长的光，包括红外线和紫外线。这是因为金刚石晶体中的电子从基态被激发到第一激发态，比可见光的能量大（1.77-3.10电子伏特）要高得多。

透明度

透明度是衡量钻石质量的重要指标之一。纯钻石像水一样透明随着钻石晶体中所含微量元素和杂质元素的不同，钻石透明度分为透明性、半透明、不透明三种。

金刚石

电、磁、热性质

电性

一般来说，钻石是电的不良导体。金刚石的电学特性主要是掺杂通过适当的掺杂，可以获得具有半导体材料特性的金刚石。与半导体材料硅和锗相比，金刚石的电化学性能和约翰逊价数要高得多。

磁性

钻石是一种非磁性矿石。然而，一些钻石晶体含有磁铁矿、磁性包裹体如钛铁矿产生磁性。

导热性

在室温下，金刚石的热导率是目前已知的最好的。CVD金刚石的热导率为1000~2000W/m·k，比天然金刚石高，比铜高6倍，比硬质合金高13~26倍。

耐热性

钻石的化学性质非常稳定，它可以忍受任何高温下的非氧化性酸，但它可以 不耐强碱、含氧酸盐和熔融金属。720 ~ 800℃在纯氧中发生氧化，800 ~ 1700℃在真空中会形成一层薄的石墨化层，在氮气和氢气的保护下，即使在1000℃也不发生氧化。

化学性质

化学稳定性

金刚石化学性质稳定，能在各种温度下耐非氧化性酸，但不耐强碱含氧酸盐和熔融金属。例如，使用强氧化剂高氯酸钾（KCIO)高氯酸钠（NaCIO）对于380℃的金刚石{111}经过181h的表面冲刷，表面出现腐蚀现象。在430℃的硝酸钠熔盐和熔融金属中会发生溶解。

氧化性

在氧气中600℃开始氧化，在720℃燃烧，在空气中850℃燃烧。低真空下的残余氧，如1 kPa ~ 1 Pa，会在金刚石表面形成致密的黑色石墨膜，可用热的高氯酸或王水去除。石墨膜的形成温度在600℃以上，但不是金刚石向石墨的固相转变，而是一氧化碳或二氧化碳的转化产物。金刚石只有在洁净的惰性气体中加热到1500℃时才会开始石墨化反应，在2100℃时石墨化速度会加快。离子束刻蚀技术可以达到2000/最小侵蚀速率。

表面性质

金刚石为非极性矿物，表面亲油性强，润湿接触角为80° ~ 120°。钻石本身的纯度和表面的清洁度会影响钻石表面的性能。

静态法

静压催化法是在高温下、超高压、在金刚石热稳定的条件下，通过催化剂的作用制备金刚石。它以石墨为原料，以过渡金属或合金为催化剂，由水力机械驱动产生恒定的高压，通过直流电或交流电，在石墨上形成持久的高温，从而将石墨转化为金刚石。转化条件一般为：压力为5～7 GPA，温度为1300～1700℃。

金属催化石墨合成金刚石的反应原理

关于金属催化的石墨到金刚石的转化有两种理论。一个是金属表面作用理论：镍金属是面心立方晶体。镍原子的二维致密层的正常方法是立方晶胞的对角线方向，其在晶体上变得（111）方向，每个镍原子周围有六个镍原子的二维致密层称为（111）面。镍原子将形成一个边长为249pm的正三角形。石墨二维表面上碳原子互连形成的三角形的边长（246pm）非常相近。当金属镍的表面恰好是（111）当表面刚好与二维平面相对时，镍原子和碳原子之间形成化学键在石墨的二维平面上，一半的碳原子被拉到镍的表面在高压下，石墨的层间距从335pm压缩，使碳原子的杂化类型从SP变为SP。由于铁、钴、这些元素，如镍，晶体形状相似，因此它们是石墨转化为金刚石的催化剂。另一种理论认为，石墨中的碳可以单独进入金属原子的四面体间隙，其原子轨道在金属原子的作用下杂化成SP，碳原子与其他原子发生扩散接触形成金刚石。

动压法

动压法主要是爆炸法。采用黑索金、强炸药如三硝基甲苯，在极短的时间内，爆炸产生强烈冲击波，强烈冲击石墨，可形成60-200GPa的高压和几千度的高温把石墨变成了金刚石。一种常见的爆炸装置是单飞片装置。

化学气相沉积

化学气相沉积技术是在较低的温度下将所需气体解离成碳原子、一些活性粒子如甲基和其它影响因素被控制以在基底上形成金刚石膜。

1）热丝DC等离子体（HFCVD）制备方法；

原理：在基底表面附近的钨丝上施加电流，控制灯丝的温度，然后注入含碳气体和氢气，再高温加热使其分解成含碳活性基团和氢原子，然后进行一系列的化学反应，最后反应到达基底表面，在适当的位置形成晶核，最后沉积出金刚石薄膜。

2）微波（MPCVD）制备方法；

原理：微波等离子体不同于其他等离子体它通过高频微波电场引起电子强烈振动，与含碳气体发生反应、氢气碰撞产生活性基团和原子，通过加热衬底在衬底上形成金刚石膜。石英管MPCVD装置是目前化学气相沉积金刚石常用的方法之一。

3）DC电弧等离子体射流（型号DCAJ CVD）制备方法;

原理：工作气体如Ar、h和CH通过棒阴极和水冷铜阳极之间的DC弧放电大面积电离，从而产生高温等离子体等离子体的高能量和一系列复杂的化学反应导致甲烷脱氢，其中碳原子在气场和电磁场的双重作用下以极快的速度喷射到基底上，最终在钼基底上形成金刚石膜。

4）直流热阴极等离子体（DCPACVD）制备方法。

在阴极和阳极之间施加DC电压。脉冲高压放电用于使阴极和阳极之间的气体放电，形成电弧，产生等离子体。Ar连接在阴极和阳极之间、H和CH的混合气体通过喷嘴处的等离子体区域，并被快速加热到高温，在此被离子化、高密度离子是由高温分解和光辐射产生的、自由基和中性基团等。在压差的作用下，它们以接近音速的高速从喷嘴喷出，形成等离子体射流。等离子体射流撞击到衬底上进行冷却，并沉积成金刚石膜。

机械工业领域

作为研磨工具的应用

人造钻石可以制成各种砂轮、磨石、砂布、砂纸、研磨膏和其他形式的研磨应用。金刚石磨具是磨削硬质合金的专用工具。

作为切割工具的应用

金刚石多晶复合片或天然大单晶制成的车刀、罐刀、铣刀、铰刀等，用于修整汽车、飞机、精密机械中的有色金属零件和塑料、陶瓷等非金属材料是最重要的一类高速高效切削工具。

作为锯切工具的应用

金刚石锯切工具分为两种第一类锯切工具主要包括：花岗岩、大理石、人造铸石、混凝土切割圆锯、带锯、绳锯等；另一种用于切割贵金属和半导体材料、由精细陶瓷材料制成的内圆锯片和外圆锯片。

作为钻井工具的应用

钻井工具包括地质学、石油、煤炭、冶金和其他工业勘探和开采用钻头、建筑工程中的铰刀和套管钻在这些领域，金刚石钻头得到了广泛的应用。

光学应用领域

在各种固体薄膜中，金刚石具有最大的透射光谱带，可见光和红外光在金刚石中具有良好的穿透能力，金刚石具有良好的抗辐射性能，可应用于激光窗口或其他透镜材料，也可用作光学保护涂层。

电子学应用领域

金刚石膜具有高的载流子饱和率、击穿电压高、升电常数低、高导热率等优异性能，被认为是高功率、用于高频和恶劣环境的电子元件的理想材料。有可能制备微波甚至毫米波段的超高速计算机芯片高压高速开关和固态功率放大器。

珠宝领域

宝石钻石主要用于制作钻戒、项链、耳环、胸花、王冠、工作人员和其他用品，以及收集原石。据统计，钻石约占全球每年珠宝贸易总额的80%。