金剛石俗稱(chēng)“金剛鉆”，也就是我們常說(shuō)的鉆石，它是一種由純碳組成的礦物，也是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)。自18世紀(jì)證實(shí)了金剛石是由純碳組成的以后，人們就開(kāi)始了對(duì)人造金剛石的研究，只是在20世紀(jì)50年代通過(guò)高壓研究和高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，才獲得真正的成功和迅速的發(fā)展，人造金剛石亦被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)，工藝行業(yè)。
與天然鉆石的區(qū)別
鉆石，是珠寶中的貴族，它通明剔透，散發(fā)著清冷高貴的光輝，頗有“出淤泥而不染”的氣質(zhì)。鉆石亦被稱(chēng)為金剛石，因?yàn)樗亲匀唤缱顖?jiān)硬無(wú)比的物質(zhì)，摩氏硬度10，新摩氏硬度15，顯微硬度10000kg/mm2，顯微硬度比石英高1000倍，比剛玉高150倍。它的形成和發(fā)現(xiàn)極為不易，它是碳在地球深部高溫高壓的特殊條件下歷經(jīng)億萬(wàn)年的“苦修”轉(zhuǎn)化而成的，由于地殼的運(yùn)動(dòng)，它們從地球的深處來(lái)到地表，蘊(yùn)藏在金伯利巖中，從而被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采。 雖然人類(lèi)可以生產(chǎn)出人造金剛石，但質(zhì)量大小還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及天然金剛石。
性質(zhì)應(yīng)用
人造金剛石不僅可以加工成價(jià)值連城的珠寶，在工業(yè)中也大有可為。它硬度高、耐磨性好，可廣泛用于切削、磨削、鉆探；由于導(dǎo)熱率高、電絕緣性好，可作為半導(dǎo)體裝置的散熱板；它有優(yōu)良的透光性和耐腐蝕性，在電子工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。
發(fā)展簡(jiǎn)史
18世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)身價(jià)高貴的金剛石竟然是碳的一種同素異形體，從此，制備人造金剛石就成為了許多科學(xué)家的光榮與夢(mèng)想。 一個(gè)世紀(jì)以后，石墨 —— 碳的另一種單質(zhì)形式被發(fā)現(xiàn)了，人們便嘗試模擬自然過(guò)程，讓石墨在超高溫高壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)變成金剛石。為了縮短反應(yīng)時(shí)間，需要2000℃高溫和5.5萬(wàn)個(gè)大氣壓的特殊條件。
1955年，美國(guó)通用電氣公司專(zhuān)門(mén)制造了高溫高壓靜電設(shè)備，得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體，從而開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石磨料的先河，現(xiàn)在他們的年產(chǎn)量在20噸左右；不久，杜邦公司發(fā)明了爆炸法，利用瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生的高壓和急劇升溫，也獲得了幾毫米大小的人造金剛石。
金剛石薄膜的性能稍遜于金剛石顆粒，在密度和硬度上都要低一些。即便如此，它的耐磨性也是數(shù)一數(shù)二，僅5微米厚的薄膜，壽命也比硬質(zhì)合金鋼長(zhǎng)10倍以上。我們知道，唱片的唱針在微小的接觸面上要經(jīng)受極大的壓力，同時(shí)要求極長(zhǎng)的耐磨壽命，只要在針尖上沉積上一層金剛石薄膜，它就可以輕松上陣了。如果在塑料、玻璃的外面用金剛石薄膜做耐磨涂層，可以大大擴(kuò)展其用途，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越又經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。
更重要的是，薄膜的出現(xiàn)使金石的應(yīng)用突破了只能作為切削工具的樊籬，使其優(yōu)異的熱、電、聲、光性能得以充分發(fā)揮。目前，金剛石薄膜已應(yīng)用在半導(dǎo)體電子裝置、光學(xué)聲學(xué)裝置、壓力加工和切削加工工具等方面，其發(fā)展速度驚人，在高科技領(lǐng)域更加誘人。
用人工方法使非金剛石結(jié)構(gòu)的碳轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)的碳，并且通過(guò)成核和生長(zhǎng)形成單晶和多晶金剛石，或把細(xì)粒金剛石在高壓高溫下燒結(jié)成多晶金剛石（PCD）。這是高壓研究目前在生產(chǎn)上得到應(yīng)用的一個(gè)重要實(shí)例。
從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，決定石墨等非金剛石結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)原料能否轉(zhuǎn)變成金剛石的相變條件是后者的自由能必須小于前者。這種相變過(guò)程是在高壓、高溫或者還有其他組分參與的條件下進(jìn)行的。一定的壓力、溫度和組元濃度等可以使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化，從而使價(jià)電子可處能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重發(fā)生相應(yīng)的變化。這就可能出現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移和組成新的鍵合狀態(tài)的電子結(jié)構(gòu)，即發(fā)生了相變。如果系統(tǒng)中能量變化有利于在固體中發(fā)生這種電子結(jié)構(gòu)的變化，則高壓高溫相變發(fā)生在固態(tài)，否則就可能發(fā)生在熔態(tài)或汽態(tài)。在熔體中發(fā)生這種變化的條件是，鍵合特征的價(jià)電子分布的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相應(yīng)降低，遠(yuǎn)程有序的作用趨于消失，原子配位數(shù)發(fā)生變化；而電子處于激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重趨于增大，近程有序作用相應(yīng)增強(qiáng)。氣體中發(fā)生這種變化的條件是，單質(zhì)原子間或化合物的鍵合分子間的電子能級(jí)趨于消失，所有的電子轉(zhuǎn)移到單原子或分子能級(jí)上去，這樣，電子處于激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重更為增大。因此，人造金剛石可以在固態(tài)，也可在熔態(tài)和汽態(tài)條件下進(jìn)行，這取決于壓力、溫度和組元濃度等因素引起系統(tǒng)內(nèi)能的變化情況。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，還要求石墨等碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)變成金剛石時(shí)具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變速率。在金剛石成核率和生長(zhǎng)速率同時(shí)處于極大值時(shí)的相變速率最大。
自18世紀(jì)證實(shí)了金剛石是由純碳組成的以后，就開(kāi)始了對(duì)人造金剛石的研究，只是在20世紀(jì)50年代通過(guò)高壓研究和高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，才獲得真正的成功和迅速的發(fā)展。目前人造金剛石的具體方法多達(dá)十幾種。按所用技術(shù)的特點(diǎn)可歸納為靜壓、動(dòng)壓和低壓等三種方法。按金剛石的形成特點(diǎn)可歸納為直接、熔媒和外延等三類(lèi)方法。
制造方法
直接法
人造金剛石或利用瞬時(shí)靜態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或動(dòng)態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或兩者的混合技術(shù)，使石墨等碳質(zhì)原料從固態(tài)或熔融態(tài)直接轉(zhuǎn)變成金剛石，這種方法得到的金剛石是微米尺寸的多晶粉末。
熔媒法
人造金剛石用靜態(tài)超高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和高溫(1100～3000°C)技術(shù)通過(guò)石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬（合金）反應(yīng)生成金剛石，其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過(guò)渡形態(tài)。在工業(yè)上顯出重要應(yīng)用價(jià)值的主要是靜壓熔媒法。采用這種方法得到的磨料級(jí)人造金剛石的產(chǎn)量已超過(guò)天然金剛石，有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題是增大粗粒比，提高轉(zhuǎn)化率和改善晶體質(zhì)量。目前正在實(shí)驗(yàn)室中用靜壓熔媒法研究?jī)?yōu)質(zhì)大顆粒單晶金剛石的形成。加晶種外延生長(zhǎng)法曾得到重1克拉左右的大單晶;用一般試驗(yàn)技術(shù)略加改進(jìn)后，曾得到2～4毫米左右的晶體。采用這種方法還生長(zhǎng)和燒結(jié)出大顆粒多晶金剛石，后者在工業(yè)上已獲得一定的應(yīng)用，其關(guān)鍵問(wèn)題在于進(jìn)一步提高這種多晶金剛石的抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、耐磨性和耐熱性等綜合性能。
外延法
人造金剛石是利用熱解和電解某些含碳物質(zhì)時(shí)析出的碳源在金剛石晶種或某些起基底作用的物質(zhì)上進(jìn)行外延生長(zhǎng)而成的。
人造金剛石的形成機(jī)制
目前主要有下述幾種學(xué)說(shuō)：溶劑學(xué)說(shuō)認(rèn)為所用金屬(合金)起著碳的溶劑作用；催化學(xué)說(shuō)則認(rèn)為是一種催化劑；固相轉(zhuǎn)變學(xué)說(shuō)則強(qiáng)調(diào)石墨晶體無(wú)需斷鍵解體，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單形變就形成金剛石晶體。但這三種典型學(xué)說(shuō)所提出模型往往同一些主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律相矛盾。因此,近十年來(lái)，出現(xiàn)了溶劑-催化劑、催化劑-溶劑、熔（溶）劑-觸媒（簡(jiǎn)稱(chēng)為熔媒）等學(xué)說(shuō)進(jìn)一步探討所用金屬（合金）的作用?？偟恼f(shuō)來(lái)，人造金剛石的形成機(jī)制目前尚是一個(gè)仍在探討中的復(fù)雜問(wèn)題。
發(fā)明背景故事
法國(guó)化學(xué)家享利?莫瓦?！睩erdinand Frederic Henri Moissan， 1852－ 1907）在電鍍制取最活潑的非金屬而又毒性很大的氟，以及發(fā)明高溫電爐并熔煉鎢、鈦、鉬，釩等高熔點(diǎn)金屬方面，做出了很大的貢獻(xiàn)，表現(xiàn)了艱苦卓絕的科學(xué)探索精神。成為著名的科學(xué)家。
晶瑩透明、硬度第一的金剛石，特別惹人喜愛(ài)。如經(jīng)工匠琢磨成鉆石，更是世間奇珍異寶，人類(lèi)雖然在五千年前就從自然界獲取了金剛石，但一直不知道它是由什么元素構(gòu)成的。直到1704年，英國(guó)科學(xué)家牛頓才證明了金剛石具有可燃性。以后又經(jīng)法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫（1792年）、英國(guó)科學(xué)家騰南脫（1797年），用實(shí)驗(yàn)證明了金剛石和石墨是碳的同素異形體，這才弄清楚金剛石是由純凈的碳組成的。1799年，法國(guó)化學(xué)家摩爾沃把一顆金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。這激發(fā)了人們的逆向思維，能不能把石墨轉(zhuǎn)化成金剛石呢？自此以后，人們對(duì)于怎樣把石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，表現(xiàn)了極大的興趣。
誰(shuí)能獲得這致人巨富的“點(diǎn)石成金”之術(shù)呢？
莫瓦桑利用自己發(fā)明的高溫電爐制取了碳化硅和碳化鈣，這促使他向極富誘惑力的“點(diǎn)石成金”術(shù)躍躍一試，他先試驗(yàn)制取氟碳化合物，再除去氟制取金剛石。沒(méi)有成功，后來(lái)他設(shè)想利用他的高溫電爐，把鐵化成鐵水，再把碳投入熔融的鐵水中，然后把滲有碳的熔融鐵倒人冷水中，借助鐵的急劇冷卻收縮時(shí)所產(chǎn)生的壓力，迫使內(nèi)中的碳原子能有序地排列成正四面體的大晶體。最后用稀酸溶去鐵，就可拿到金剛石晶體。這個(gè)設(shè)想在當(dāng)時(shí)看來(lái)，既科學(xué)又美妙。促使他和他的助手一次又一次的按這個(gè)構(gòu)想方案做試驗(yàn)。1893年2月6日，他終于看到了他夢(mèng)寐以求的“希望之星”。當(dāng)他和助手用酸溶去鐵后，在石墨殘留物中，竟有口顆0.7mm的晶體閃閃發(fā)光！經(jīng)檢測(cè)這顆晶體真是金剛石。人們象贊譽(yù)世界上前5名鉆石一樣，也把這顆金剛石譽(yù)為“攝政王”。
“人造金剛石成功了！”欣喜若狂的莫瓦桑一再向報(bào)界宣傳他的重大科研成果。這使本來(lái)因研制氟和高溫電爐而著名的莫瓦桑，更加 名噪一時(shí)。
1906年評(píng)選諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，極富盛名的莫瓦桑成了候選人。而另一個(gè)候選人便是以發(fā)現(xiàn)元素同期律，并排布元素周期表，預(yù)言與指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新元素的俄羅斯科學(xué)家門(mén)捷列夫。當(dāng)時(shí)瑞典科學(xué)院化學(xué)分部投票表決時(shí)，10名委員中有5名投莫瓦桑的票，4票贊成門(mén)捷列夫， l票棄權(quán)。結(jié)果草瓦桑以一票的優(yōu)勢(shì)而獲獎(jiǎng)。雖然，莫氏確有重大科研成果。但是，相對(duì)于做出時(shí)代里程碑式貢獻(xiàn)的門(mén)捷列夫來(lái)說(shuō)，一為個(gè)別的，一為全局性的；一為重大成果，一為恩格斯所贊譽(yù)的“完成了科學(xué)上的一個(gè)勛業(yè)，這個(gè)勛業(yè)可以和勒維烈計(jì)算尚未知道的行星海王星的軌道的勛業(yè)相媲美?！碑?dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給門(mén)捷列夫，應(yīng)是歷史的必然!可是卻給予了名噪歐洲的莫瓦桑。1907年門(mén)捷列夫和莫瓦桑都相繼逝世了?？墒情T(mén)捷列夫卻失掉了再被評(píng)選的可能，這不能不說(shuō)諾貝爾頒獎(jiǎng)歷史上的一大遺憾！
話又得說(shuō)回來(lái)。1906年瑞典諾貝爾基金會(huì)宣布，把相當(dāng)于10萬(wàn)法郎的獎(jiǎng)金授給莫瓦桑，是“為了表彰他在制備元素氟方面所做出的杰出貢獻(xiàn)，表彰他發(fā)明了莫氏電爐，”證書(shū)上只字未提人造金剛石的事，但莫瓦桑在領(lǐng)獎(jiǎng)致答詞時(shí)，卻一再?gòu)?qiáng)調(diào)他合成人造金剛石的創(chuàng)舉。
成功的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一特征是可重現(xiàn)性。 然而，莫瓦桑“成功”的人造金剛石試驗(yàn)，卻只做了一次，他本人再也沒(méi)做第二次，卻浸沉在“成功“的盛名之中．
由于金剛石具有巨大的商業(yè)利潤(rùn)和工業(yè)價(jià)值，不少的公司、企業(yè)集團(tuán)紛紛組織科學(xué)家重 復(fù)莫氏的合成金剛石試驗(yàn)，希望把科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)，但卻沒(méi)有一個(gè)成功。這就迫使一些人直接登門(mén)找莫瓦桑遺孀了解莫氏的試驗(yàn)情況。經(jīng)查明，那次成功的人造金剛石試驗(yàn)，是由于莫氏生前的助手對(duì)反復(fù)無(wú)休止的試驗(yàn)感到厭煩，但又無(wú)法勸阻他不再做了，迫于無(wú)奈便俏俏的把實(shí)驗(yàn)室中的一顆天然金剛石混跡到實(shí)驗(yàn)中去，這便是那顆被譽(yù)為“攝政王”的真面目了。到頭來(lái)，莫瓦桑的人造金剛石，仍然是“希望之星”，對(duì)這件事，當(dāng)然不能說(shuō)莫氏有意作偽騙人，但是，莫氏沒(méi)有重復(fù)的做出成功的第二次、第三次實(shí)驗(yàn)，卻律津樂(lè)道，陶醉于盛名，卻不能不說(shuō)是科學(xué)家不應(yīng)有的過(guò)失。
實(shí)事求是他說(shuō)，在那個(gè)時(shí)代，人造金剛石只能是“希望之星”。
從基礎(chǔ)理論方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于現(xiàn)今高中化學(xué) 課本上所闡明的金剛石的正四面體晶體結(jié)構(gòu)，和石墨的層狀結(jié)構(gòu)，是19l0～l920年間由于發(fā)展了X射線衍射技術(shù)后才有所認(rèn)識(shí)的。使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，不單純是用外力縮短石墨層與層之間的距離，使六角形碳環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)檎拿骟w晶格。實(shí)際上還包含許多復(fù)雜因素?；瘜W(xué)家首要考慮的是熱力學(xué)問(wèn)題。借助熱力學(xué)可判斷石墨－金剛石轉(zhuǎn)變過(guò)程中的方向和限度。在一定溫度和壓力下，熱力學(xué)常用產(chǎn)物和作用物之間的自由焓改變的正或負(fù)，來(lái)判別一個(gè)反應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行的方向。自由焓大的狀態(tài)相對(duì)于自由焓小的狀態(tài)，是一個(gè)不穩(wěn)定態(tài)，因此自由焓大的狀態(tài)總是向小的方向自動(dòng)進(jìn)行．計(jì)算在25℃、1大氣壓下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸淖杂伸首兓疍G=G金剛石-G石墨=+692卡/摩。此即表明金剛石的自由焓大于石墨，那么，要在25℃、1大氣壓下，使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸遣豢赡艿模枰畏N外界條件才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化呢？這一直到1938年，洛錫涅等將熱力學(xué)的理論計(jì)算用于石墨－金剛石的轉(zhuǎn)化過(guò)程，才有了答案。以后又經(jīng)皮爾曼等計(jì)算了在1200K以下石墨－金剛石的平衡態(tài)，并繪制了平衡曲線。從而可知在常溫298K，要實(shí)現(xiàn)石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，需13000大氣壓以上。如果升高溫度，如在1200K，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，需40000大氣壓以上。于是可知莫瓦桑的試驗(yàn)，雖然提供了高溫，而用鐵水急劇冷卻收縮所獲得的壓力，頂多只有幾千個(gè)大氣壓，怎么可能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化呢？
熱力學(xué)只能判斷反應(yīng)進(jìn)行的可能性，要使可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)性，化學(xué)家還需考慮動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。如在室溫和40萬(wàn)個(gè)大氣壓下，石墨的轉(zhuǎn)化速度緩慢到難以察覺(jué)。因此速度問(wèn)題。愛(ài)林等根據(jù)反應(yīng)速度理論推導(dǎo)得出了轉(zhuǎn)化過(guò)程中溫度和壓力對(duì)轉(zhuǎn)變速度的關(guān)系式[注] 。于是可知增壓是降低反應(yīng)速度的，而高溫自然是提高反應(yīng)速度的。
綜合起來(lái)看，由熱力學(xué)來(lái)看，高溫不利于金剛石的熱力學(xué)穩(wěn)定性，要使金剛石在高溫下仍具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，必須相應(yīng)地高壓。而從動(dòng)力學(xué)來(lái)看，力求高溫才有利于反應(yīng)速度，高壓反而減速。因此，尋求適宜的轉(zhuǎn)化條件，應(yīng)是兼顧二者，使高溫與高壓匹配。此外還需特定的溶劑，使石墨晶格中的碳原子先溶解，然后在變更外界條件下，再使碳原子從溶劑中析出結(jié)晶形成正四面體晶格。已經(jīng)知道硫化亞鐵、鐵以及一些過(guò)渡金屬可做溶劑。
從實(shí)驗(yàn)條件方面來(lái)說(shuō)，必須提供能夠產(chǎn)生高壓的裝置和耐高溫、耐高壓的設(shè)備。1946年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給美國(guó)科學(xué)家布里奇曼教授，原因是他發(fā)明了達(dá)到極高壓力的裝置，以及在高壓物理領(lǐng)域內(nèi)所作出的一些重要發(fā)現(xiàn)。至此，人造金剛石才具備了可能性。
1955年，美國(guó)科學(xué)家霍爾等在1650℃和95000個(gè)大氣壓下，合成了金剛石。并在類(lèi)似的條件下重復(fù)多次亦獲成功，產(chǎn)品經(jīng)各種物理的、化學(xué)的檢測(cè)，確證為金剛石。這是人類(lèi)歷史上第一次合成人造金剛石成功，然而，這已是莫瓦桑宣稱(chēng)“成功”的62年以后，莫氏逝世近半個(gè)世紀(jì)以后的事了。