[科普中国]-人造金刚石

介绍

利用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa) 和高温(1100～3000°C)技术，通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。到20世纪70年代开发的金属烧结聚晶金刚石(PCD)，人工合成金刚石材料已经成为自然单晶金刚石的唯一替代物。

金刚石聚晶是由金刚石微粉与少量结合剂在高温高压下烧结而成，具有耐磨性高，抗冲击韧性强，热稳定性好和结构致密均匀等特点，广泛应用于制造石油，地质钻头和机加工工具和宝石加工等。1

应用金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝，在工业中也大有可为。它硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探；由于导热率高、电绝缘性好，可作为半导体装置的散热板；它有优良的透光性和耐腐蚀性，在电子工业中也得到广泛应用。

1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等

2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等

3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等

4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等

5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等

6、金属结合剂磨具、电镀制品。钻探工具或研磨等

7、锯切、钻探及修正工具等

发展历史18世纪末，人们发现身价高贵的金刚石竟然是碳的一种同素异形体，从此，制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。 一个世纪以后，石墨——碳的另一种单质形式被发现了，人们便尝试模拟自然过程，让石墨在超高温高压的环境下转变成金刚石。为了缩短反应时间，需要2000℃高温和5.5万个大气压的特殊条件。

1955年，美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备，得到世界上第一批工业用人造金刚石小晶体，从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河，他们的年产量在20吨左右；不久，杜邦公司发明了爆炸法，利用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温，也获得了几毫米大小的人造金刚石。

金刚石薄膜的性能稍逊于金刚石颗粒，在密度和硬度上都要低一些。即便如此，它的耐磨性也是数一数二，仅5微米厚的薄膜，寿命也比硬质合金钢长10倍以上。我们知道，唱片的唱针在微小的接触面上要经受极大的压力，同时要求极长的耐磨寿命，只要在针尖上沉积上一层金刚石薄膜，它就可以轻松上阵了。如果在塑料、玻璃的外面用金刚石薄膜做耐磨涂层，可以大大扩展其用途，开发性能优越又经济的产品。

更重要的是，薄膜的出现使金石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱，使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。金刚石薄膜已应用在半导体电子装置、光学声学装置、压力加工和切削加工工具等方面，其发展速度惊人，在高科技领域更加诱人。

用人工方法使非金刚石结构的碳转变为金刚石结构的碳，并且通过成核和生长形成单晶和多晶金刚石，或把细粒金刚石在高压高温下烧结成多晶金刚石。这是高压研究在生产上得到应用的一个重要实例。

从热力学观点出发，决定石墨等非金刚石结构的碳质原料能否转变成金刚石的相变条件是后者的自由能必须小于前者。这种相变过程是在高压、高温或者还有其他组分参与的条件下进行的。一定的压力、温度和组元浓度等可以使系统的内能发生变化，从而使价电子可处能级的统计权重发生相应的变化。这就可能出现电子转移和组成新的键合状态的电子结构，即发生了相变。如果系统中能量变化有利于在固体中发生这种电子结构的变化，则高压高温相变发生在固态，否则就可能发生在熔态或汽态。在熔体中发生这种变化的条件是，键合特征的价电子分布的统计权重相应降低，远程有序的作用趋于消失，原子配位数发生变化；而电子处于激发态的统计权重趋于增大，近程有序作用相应增强。气体中发生这种变化的条件是，单质原子间或化合物的键合分子间的电子能级趋于消失，所有的电子转移到单原子或分子能级上去，这样，电子处于激发态的统计权重更为增大。因此，人造金刚石可以在固态，也可在熔态和汽态条件下进行，这取决于压力、温度和组元浓度等因素引起系统内能的变化情况。从动力学观点出发，还要求石墨等碳质原料转变成金刚石时具有适当的转变速率。在金刚石成核率和生长速率同时处于极大值时的相变速率最大。2

制造方法自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，就开始了对人造金刚石的研究，只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发展。人造金刚石的具体方法多达十几种。按所用技术的特点可归纳为静压、动压和低压等三种方法。按金刚石的形成特点可归纳为直接、熔媒和外延等三类方法。

直接法人造金刚石或利用瞬时静态超高压高温技术，或动态超高压高温技术，或两者的混合技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石，这种方法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。3

熔媒法人造金刚石用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa) 和高温(1100～3000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石，有待进一步解决的问题是增大粗粒比，提高转化率和改善晶体质量。目前正在实验室中用静压熔媒法研究优质大颗粒单晶金刚石的形成。加晶种外延生长法曾得到重1克拉左右的大单晶;用一般试验技术略加改进后，曾得到2～4毫米左右的晶体。采用这种方法还生长和烧结出大颗粒多晶金刚石，后者在工业上已获得一定的应用，其关键问题在于进一步提高这种多晶金刚石的抗压强度、抗冲击强度、耐磨性和耐热性等综合性能。

外延法人造金刚石是利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。

武兹反应法

让四氯化碳和钠在700℃反应，生成金刚石。但是同时会生成大量的石墨。4

媛石2010年12月，日本科学家成功合成了世界上最坚硬的金刚石，其直径超过1厘米，与其合作的公司称力争最快投产。

这种圆柱形的金刚石是日本爱媛大学研究人员与住友电器工业公司合作的成果，被命名为“媛石”，取自“爱媛”。

研究人员入船哲男介绍说，媛石是目前世界上最坚硬的人工金刚石，比普通金刚石坚硬很多，因此可以应用于诸多工业活动当中。“媛石可以帮助人们进一步了解在地球深处高压高温条件下形成的碳元素单质晶体；同时，作为一种工业用品，它的寿命也比普通金刚石长好几倍。”

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