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金刚石(卷名：机械工程)

diamond

碳的同素异构体，是已知的最硬物质，莫氏硬度10，维氏硬度一般为HV98000兆帕，硬度有各向异性。金刚石有天然的和人造的，人造金刚石常作磨料和其他工具材料用。金刚石晶体属等轴晶系，原子晶格为面心立方格子，原子间距1.54×10-10米(1.54)，理论密度3.515克／厘米3。金刚石因杂质氮的存在形式不同，按其光学性质和其他性质分成Ⅰ型和Ⅱ型两类。Ⅰ型金刚石包含氮，理想的Ⅱ型金刚石不含氮。这两类金刚石又可分为a与b两个亚类型。Ia型金刚石含有较多的杂质氮，大约有98％的天然金刚石属于这一类型。Ib型金刚石也含有氮，但量少，且以分散的顺磁方式存在，大部分人造金刚石都是Ib型的。Ⅱ型金刚石是所谓特殊类型的金刚石，Ⅱa型金刚石的特点是导热性特别好。天然金刚石中大约有2％属于这一类型。Ⅱb型金刚石的特点是具有半导体性能，是用于电子工业的一种重要材料，而Ⅰ型和Ⅱa型都是绝缘体。天然金刚石经琢磨加工后，在光的照射下反射出七色虹霞，美丽夺目，作装饰品用。金刚石由于硬度高、耐磨、化学稳定性好等特性，在采矿、机械加工、电子、玻璃和建筑等工业部门中广泛采用。颗粒小的金刚石大多用作刀具材料，特别适于加工硬质合金等硬脆材料。

简史早于公元前8世纪，在印度就发现了金刚石。但世界上金刚石资源少，开采不易，价格昂贵，长期以来，限制了它在工业上的应用。1797年，英国人S.坦南特通过实验，得出了金刚石是纯碳的结论，启示人们探讨其人工制法。经过100多年的努力，终于在20世纪50年代在美国和瑞典相继试验成功，并投入工业生产。此后，人造金刚石迅速发展，到1970年其产量已超过天然金刚石。80年代初，工业用金刚石中人造金刚石已达2/3。

人造金刚石的制法科学家们根据实验结果，加上一定的计算和外推，得到了碳的经验相图（图1）。从相图可以看出，一般需要在高温超高压条件下才能使石墨转化为金刚石，完成石墨晶格结构向金刚石结构的转变（图2）。

人造金刚石的工业生产方法主要有两种。①静压溶剂-触媒法：用液压机加压产生超高压（5000～1000兆帕），以交流或直流电通过石墨加热产生高温(1200～2000℃)，并加金属或合金作溶剂-触媒，使石墨转化为金刚石。这种方法应用最为广泛。②动力法:利用TNT和黑索金等炸药引爆后产生强的冲击波作用于石墨，产生瞬时的高温高压，使石墨直接转变成金刚石。这种方法的优点是投资少，单次产量高，生产成本低。但得到的金刚石是比较细小的，呈粉末状，平均粒径不到10微米。

人造金刚石的种类和用途人造金刚石有单晶体和多晶体两类。常见的人造金刚石的单晶体形态有立方体(图3a)、八面体(图3b)和立方体-八面体聚形（图3c、d、e、f）。常呈金黄或黄绿色等。大量生产的单晶人造金刚石，其颗粒尺寸一般在1毫米以下，因而使用范围受到限制，主要用以制造磨具、锯片、修整滚轮和某些工具等。

人造多晶金刚石（又称聚晶金刚石）于60年代研制成功，主要是烧结型的，也称金刚石烧结体。它是以细颗粒金刚石为原料，配以一定量具有粘结作用的金属或非金属材料，在超高压高温条件下烧结制成的，有片状的和圆柱状的。烧结型多晶金刚石是由无序排列的众多细粒金刚石组成，无解理面，硬度也无各向异性，其耐磨性能和抗冲击强度均较单晶金刚石为优，用以制作拉丝模、车刀、地质勘探钻头和测量头等，均可获得良好效果。如烧结型多晶金刚石拉丝模，其使用寿命数倍于天然金刚石模，高出硬质合金模数百倍。

人造多晶金刚石除烧结型外，还有生长型和生长-烧结型多晶体。生长型多晶金刚石，以六方结构的石墨为原料，在超高压高温条件下，通过溶媒的作用转变为立方结构的块状多晶金刚石。这种金刚石伴有成核与生长过程，故称为生长型多晶金刚石，外形似球状或橄榄状。新生的金刚石外壳，其晶体由内向外生长，呈放射状，有的结构晶粒交错生长。生长-烧结型多晶金刚石以六方结构的石墨、立方结构的金刚石和具有溶剂-触媒作用的金属或合金为原料，在超高压高温条件下获得的块状多晶体。有的外壳为放射状生长的晶体，芯部为烧结型的多晶体；有的是六方结构的石墨转变为立方结构的金刚石晶粒与原有的金刚石晶粒交错生长烧结在一起。这两种多晶体，可用以制造车刀和地质钻头等。