[科普中国]-碳相图

碳相图(phase diagram of carbon)是指不同温度和压力条件下，碳的各种存在形态之间的界限及互相转化的简单图解。有时简称为压强、温度图或P-T图。碳的熔点很高，蒸汽气组成也很复杂，液态碳的性能直至20世纪90年代仍有争议。80年代之后，利用激波、激光及大电流脉冲放电等加热加压技术，拉曼光谱等检测手段以及深入的理论分析，碳相图的范围逐渐扩大，内容也日趋丰富，但要绘制完整的碳相图，仍困难重重。碳的存在形态除气态、液态、金刚石、石墨之外，还有炔碳(线状碳)、紊碳、富勒碳、碳纳米管及高压高温下极有可能存在的金属碳如BC-8等。炔碳、富勒碳等这些非经典的碳元素形态，在碳相图中尚未有明确肯定的位置，只提出了一些推测性的建议。

简介碳相图(phase diagram of carbon)是指不同温度和压力条件下，碳的各种存在形态之间的界限及互相转化的简单图解。有时简称为压强、温度图或P-T图。碳的熔点很高，蒸汽气组成也很复杂，液态碳的性能直至20世纪90年代仍有争议。80年代之后，利用激波、激光及大电流脉冲放电等加热加压技术，拉曼光谱等检测手段以及深入的理论分析，碳相图的范围逐渐扩大，内容也日趋丰富，但要绘制完整的碳相图，仍困难重重。碳的存在形态除气态、液态、金刚石、石墨之外，还有炔碳(线状碳)、紊碳、富勒碳、碳纳米管及高压高温下极有可能存在的金属碳如BC-8等。炔碳、富勒碳等这些非经典的碳元素形态，在碳相图中尚未有明确肯定的位置，只提出了一些推测性的建议1。

“老式”碳相图邦迪于1964年及1980年曾两次提出这一种P-T图，涉及的压强范围为0-120GPa，温度范围为0-4500K，图上有4种碳相：石墨（Gr）、金刚石（Di）、金属碳（Me）及液碳（Li）。Gr. Di.Li三相点约为11-12GPa/4000K，Di.Me.Li三相点约为54GPa/2300K。1973年J.A.范·维西屯提出的P-T图。其中只有Di.Li.Me三种相，压强范围比邦笛图略高，为0-100GPa，图上只有一个三相点，即Di、Me、Li3相点，约为105GPa/3200K。1979年R.格罗佛提出的P-T图，图上也有Gr、Di、Me、Li4种相，压强范围与范·维西屯图相同，温度范围则较大，为0-6000K，Di、Me、Gr三相点约为11.2GPa/3800K，Gr、Me、Li三相点约为11GPa/4500K。这几种早期的P-T图都比较粗疏，有不少不确之处，只有历史价值，但表明了科学征程上的艰辛和曲折。1989年邦笛总结了这一漫长的历史研究情况。认为可用如图1所示的P-T图加以概括。这是一幅所谓老式的碳相图，但比早期出版的手册和教科书中的P-T图却略胜一筹。

在图中的D区中进行无扩散相变，把石墨转化为六方金刚石(朗德石)，在相变过程中相邻碳原子之间的相何关系保持不变，在这样的情况下，碳原子有规则地进行切变位移，位移的结果产生点阵形变，形成新相。新相承袭母相的原子序态和晶体缺陷，而且相变是可逆的，借用金相学的术语，这样的相变称为马氏体相变2。

古斯塔森碳相图1986年古斯塔森（P.Gustafson）对20世纪60年代至80年代中期的工作，特别对碳的各种热力学数据，作了十分细致的整理加工，得出了别具一格的碳相图（图2）。

邦笛碳相图1989年邦笛总结了直至1988年3月为止的种种数据，提出了一幅碳相图（图3），声称这一相图在当时最为可靠。这一相图的压强范围大为拓宽，为老式图的4倍，古斯塔森图的2倍，温度范围有所也有所扩大3。

展望在温度压强特别高的区域，缺乏实验数据，但理论研究颇为活跃。根据计算曾提出高温高压区金刚石熔化线及金刚石与理论预测的BC-8等新碳相的分界线。在这一领域、不少工作尚待展开1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学