工程材料的应用

工程材料的应用

工程材料之—金刚石

编者：王成摘要：金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻

石，它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。碳可以在高温、高压下形成

金刚石。

关键词：金刚石，产地，构造

金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。多数金刚石大多带些黄色。金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石原生矿仅产出于金伯利岩筒或少数钾镁煌斑岩中。金伯利岩等是它们的原生地岩石，其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000℃时，它会缓慢地变成石墨。

金刚石与石墨同属于碳的单质。是一种具有超硬、耐磨、热敏、传热导、半导体及透远等优异的物理性能，素有“硬度之王”和宝石之王的美称，金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。上个世纪50

年代，美国以石墨为原料，在高温高压下成功制造出人造金刚石。现在人造金刚石已经广泛用于生产和生活中，虽然造出大颗粒的金刚石还很困难（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经可以制成了金刚石的薄膜。

中国也拥有制造金刚石的技术，但最大也不过0.2克拉左右。

引用亚洲宝石协会（GIG）报告：金刚石的化学成分为C，与石墨同是碳的同质多象变体。在矿物化学组成中，总含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等杂质元素，以及碳水化合物。

金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为154pm。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。

金刚石的硬度是刚玉的4倍，石英的8倍。详细绝对硬度如下：金刚石10000-2500刚玉2500-2100石英1550-1200。

矿物性脆，贝壳状或参差状断口，在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开，具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。矿物质纯，密度一般为3 470-3

金刚石的颜色取决于纯净程度、所含杂质元素的种类和含量，极纯净者无色，一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等；纯净者透明，含杂质的半透明或不透明；在阴极射线、X射线和紫外线下，会发出不同的绿色、天蓝、紫色、黄绿色等色的

荧光；在日光曝晒后至暗室内发淡青蓝色磷光；金刚光泽，少数油脂或金属光泽，高折射率，一般为

2.40-2.48。

金刚石的热导率一般为136.16w/（m·k），其中Ⅱa 型金刚石热导率极高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降，如在室温时为铜的5倍；比热容随温度上升而增加，如在-106℃时为399.84J/（kg·k），107℃时为472.27J/（kg·k）；热膨胀系数极小，随温度上升而增高，如在-38.8℃时为0，0℃时为5.6×10-7；在纯氧中燃点为720～800℃，在空气中为850-1 000℃，在绝氧下2 000-3 000℃转变为石墨。

金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用，只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中，或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。

金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯Ⅱb型金刚石具良好的半导体性能。根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异，可将金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两类，并进一步细分为

Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四个亚类。Ⅰ型金刚石，特别是

Ⅰa亚型，为常见的普通金刚石，约占天然金刚石总量的98%。Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮，具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。Ⅱ型金刚石极为罕见，含极少或几乎不含氮，具良好的导热性和曲面晶体的特点。Ⅱb亚型金刚石具半导电性。由于Ⅱ型金刚石的性能优异，因此多用于空间技术和尖端工业。

1977年12月21日，在山东省临沭县常林大队，女社员魏振芳发现1颗重158.786克拉的优质巨钻

----中国最大的金刚石。（约鸡蛋黄大小，右图）。世界上最大的工业用金刚石和宝石级金刚石都超过3100克拉（1克拉=200毫克）。其中宝石级金刚石的尺寸为10×6.5×5厘米，名叫“库利南”，1905年发现于南非的普雷米尔岩管。中国常林钻石，重158.786克拉，1977年发现于山东临沭县，列为世界名钻。世界金刚石主要产地有澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯。

金刚石锯片是一种切割工具,广泛应用于石材,陶瓷等硬脆材料的加工.金刚石锯片主要由两部分组成;基体与刀头.基体是粘结刀头的主要支撑部分,而刀头则是在使用过程中起切割的部分,刀头会在使用中而不断地消耗掉,而基体则不会,刀头之所以能起切割的

作用是因为其中含有金刚石,金刚石作为目前最硬的物质,它在刀头中摩擦切割被加工对象.而金刚石颗粒则由金属包裹在刀头内部

现今世界通用的钻石评价四大要素是重量、颜色、净度和切工，简称“4C”标准。

金刚石是自然界中最坚硬的物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。金刚石还被作为很多精密仪器的部件。金刚石与石墨同属于碳的单质。是一种具有超硬、耐磨、热敏、传热导、半导体及透远等优异的物理性能，素有“硬度之王”和宝石之王的美称，金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。习惯上人们常将加工过的称为钻石，而未加工过的称为金刚石。工业用金刚石常用作刀具、钻具、研磨、轴承、拉丝模、硬度计压痕器、锯片、光学精密仪器及修整器等。中国工业用金刚石的主要用项是石材加工、地质和石油钻头、磨料和修正砂轮、刀具等。

二十世纪七十年代，现代尖端科学技术领域的许多产品，如用于航空工业的陀螺仪、激光器中的金属反射镜，雷达的波导管内腔，激光打印机中的多面棱镜，录像机磁头、复印机硒鼓、计算机磁盘基片以及太空望远镜中的大型反射镜等，都要求得到超光滑的