金刚石表面特性及表面金属化
金刚石表面镀覆金属的性能研究_张凤林
经盐浴镀和化学镀后, 几乎 100% 的金刚石均被 镀覆上金属, 表明这两种金属镀覆工艺是可行和成功 的。盐浴镀 Ti 的金刚石表面呈灰黑色; 化学镀 Ni 的 金刚石表面呈亮银色, 镀 Cu 的金刚石表面呈红色。
( 1) X 射线衍射分析 用 Y-4Q 型 X 射线衍射仪测得的镀覆金属后金 刚石 X 射线衍射图谱如图 1 所示。由图可见, 盐浴 镀 Ti 的金刚石出现了 TiC 的衍射峰, 表明 T i 与金刚 石通过 TiC 形成了化学冶金结合。化学镀 Ni 和 Cu 的金刚石上都有 Ni 和 Cu 的衍射峰出现; 镀 Ni 金刚
图 1 镀覆金属后金刚石 X 射线衍射图谱
石的表面镀层大多为非晶 Ni, 由于 Ni 层较厚, 所以 金刚石的衍射峰很弱。
( 2) 镀层表面形貌分析 图 2 为 用 PHILIPS XL- 30FEG 扫描电 子显微镜 观察到的镀 T i、镀 Ni 和镀 Cu 金刚石的表面形貌。 由图可见, 盐浴镀 Ti 和化学镀 Ni 的金刚石表面镀 层致密均匀, 而化学镀 Cu 的金刚石表面镀层较为疏 松, 且存在未镀覆部位, 这是由于 Cu 镀层较薄且易 氧化, 引起镀层剥落, 导致镀层表面结构疏松。
( b) 化学镀 Ni
图 3 镀层与金 刚石的界面结构
( 4) 盐浴镀和化学镀对金刚石性能的影响 ¹ 对抗压强度的影响 表 1 为盐浴镀 T i 和化学镀 Ni、Cu 金刚石颗粒 的抗压强度对比情况。
表 1 单颗粒金刚石抗压强度对比情况
金刚石状态 镀前 盐浴镀 Ti 化学镀 Ni 化学镀 Cu
抗压强度( kgf) 6
* 广东省自然科学基金资助项目( 项目编号: 990142) 广东工业大学青年基金资助项目( 项目编号: 992034)
金刚石手册说明书
金刚石手册目录2金刚石介绍3物理性能4金刚石分类5金刚石合成6 CVD 金刚石类型7晶体学8力学强度9金刚石抛光10金刚石表面11性能光学性能12光学常数13拉曼散射14单晶光学器件15多晶光学器件16发射率和射频窗口17精密部件18热学性能19金刚石散热片20超精加工21电子性能22金刚石的量子应用23电化学性能24数据表光学级和射频级25热学级26机械级27电化学加工级28电子级29 DNV 级材料30延伸阅读31延伸阅读1. 单片金刚石拉曼激光器随着CVD金刚石合成和加工技术不断进步，在实际应用中能够使用具有优异性能的金刚石材料。
工程单晶 CVD 金刚石具有超低吸收率和双折射率，并且光程长，使单片金刚石拉曼激光器得以成为现实。
订购 CVD 金刚石产品，请访问在以下社交媒体上关注我们金刚石介绍3金刚石的特点是具有优异的硬度、鲁棒性以及光学与热学性能，可用于制造精美的宝石和精良的工业刀具。
但天然金刚石固有的可变性和稀缺性限制了其在工程应用中的使用。
合成工艺的发展让制造持续稳定的工程人造金刚石成为可能。
人们最初在 20 世纪 50 年代运用高温高压法、后来在 80 年代运用化学气相沉积法来制造优异的共价晶体金刚石。
现代工业消耗的人造金刚石约有 800 吨，大约是作为宝石开采的天然金刚石的150 倍。
一切在于结构金刚石的特性源自其结构，任一原子都被相邻的四个原子包围，通过共价键结合在立方晶格中，形成四面体结构。
这种结合坚固、堆积紧凑、致密、刚性的结构使其具有优异的性能。
能够操控缺陷和合成条件的影响，意味着材料科学家已经可以针对广泛的应用优化和定制金刚石的特性。
通过控制缺陷和合成条件的影响，材料科学家能够优化和定制金刚石的显著性能，以获得广泛的应用。
延伸阅读2. 科学瑰宝BC N510.81112.01114.00767Al aluminium1326.981Si silicon1428.085Pphosphorus1530.973高温高压合成的金刚石通常掺氮，因此具有独特的黄色色调。
金刚石
金刚石金刚石是碳在高温高压条件下的结晶体，是自然界最硬的矿物。
其名称来源于希腊文“Adamas”，意为坚硬无敌。
金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产，在国民经济中具有重要的作用。
金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。
宝石级金刚石，又称钻石，光泽灿烂，晶莹剔透，被誉为“宝石之王”，价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。
达不到宝石级的金刚石（工业用金刚石），以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。
金刚石按所含微量元素可分为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石两个类型。
Ⅰ型金刚石多为常见的普通金刚石。
Ⅱ型金刚石比较罕见，仅占金刚石总量的1%～2%。
Ⅱ型金刚石因常具有良好的导热性、解理性和半导体性等，多用于空间技术和尖端工业。
具微蓝色彩的优质大粒Ⅱ型金刚石视为钻石中之珍品，如重 3 106ct（Carat，克拉）世界著名的“库利南”钻石，即属此类。
人类对金刚石的认识和开发具有悠久的历史。
早在公元前 3 世纪古印度就发现了金刚石。
自公元纪年起至今，钻石一直是国家与王宫贵族、达官显贵的财富、权势、地位的象征。
世界金刚石矿产资源不丰富，1996年世界探明金刚石储量基础仅19 亿ct，远不能满足宝石与工业消费的需要。
20 世纪60 年代以来，人工合成金刚石技术兴起，至90 年代日臻完善，人造金刚石几乎已完全取代工业用天然金刚石，其用量占世界工业用金刚石消费量的90%以上（在中国已达99%以上）。
金刚石主要生产国为澳大利亚、俄罗斯、南非、博茨瓦纳和扎伊尔等。
世界钻石的经销主要由迪比尔斯中央销售组织控制。
中国发现金刚石约在200～300 年前，在明清朝之际（约17 世纪），湖南省农民在河砂中淘到过金刚石。
金刚石的地质勘查工作始于20 世纪50 年代。
迄今，在中国发现的重量大于90 ct的著名金刚石有6 颗，如重约158 ct的“常林钻石”等。
金刚石表面金属化方法
区 ， 为触 媒 金属 的镍 有 可 能 促 使 金 刚 石 晶格 在 此 条 件 下发 生逆 转变 。 作 借助 显 微镜 在 生 产实 践
维普资讯
使 靶 材 表 面 原 子 获 得 大 于 本 身 电离 能 的 撞 击 能 量 而 被 打 出 向 运 动 的 金 刚 石 颗 粒 表 面 溅 射 堆 集
成膜 。 比蒸 发原 子 或 分 子 的 平 均 能 量 大 数 十 倍 的 溅射 粒 子 增 加 丁膜 层 的 成 榱 密 度 ． 高 了表 面 提 原 子 迁 移率 及体 扩 散 ．使 镀 膜性 能 及 附 着 力增 强 空镀 Ｔｉ 、Ｍｏ 真 、Ｗ 、Ｃｒ 金 属 膜 金 刚 石 在 等 岩 芯 勘 探 钻 头 、石 材 切 割 锯 片 、金 刚石 烧 结 体 、砂 轮 修整 工 具 中得 到 很 好 应 用 ．金 刚 石 镀 膜 后 工 具 工 作 层 整 体 抗 蚪击 韧性 ． 弯 强 度 及 耐 磨性 得 到 良好 改 善 苏 联 全 苏 勘 探 所 等 单 位 制 】 抗 前 造 的 ￣５ｍｍ 镀 Ｔｉ Ｎｉ ９ — 金副 石 表 镶 、孕 镶 钻 头 在 可 钻性 ｘ级 硅 化 闪 长 岩 中钻 进 ．寿命 分 别 提
带水冷装置的不锈钢 真空 室内 ， 利用 电阻或 电子束等将被镀金属或合金加热到蒸发温度蹦上 ， 使平 均 动 能Ｏ ２Ｖ 的 金 属原 子 或 分 子 蒸 发 逸 出 。 们 在 同样 装 在 真 空 室 特 制 容 器 中不 断运 动 ．ｅ 它 的金 刚 石表 面 附着 扩 散 而形 成 镀 膜 合金 镀膜 时 ． 在 为了 防止 台金 成 分 的 分 馏 可 以采 用 各 成 分
金刚石
性质：最高硬度，最高热导率，最高传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P 型（硼）或N 型（磷）半导体。
莫氏硬度为10，是所有已知材料中最硬的，可作耐磨涂层、切削工具、磨料、钻头等常温下金刚石的热导率为20W/cm▪K，是所有物质中最高者，可用作散热器或热交换器金刚石不仅在上述各独立领域具有优越的性质，更重要的是这些极限性能的综合作用，使其成为不可替代的特殊物质金刚石和石墨是碳的两种同素异构体，金刚石的化学成分是纯碳，石墨的化学成分也是纯碳。
金刚石坚硬无比，而石墨质地非常软，这是因为石墨中的碳原子是成层排列的，原子间的结合力很小，金刚石中的碳原子则是交错整齐地排列成八面体结构，每个碳原子都紧密地与其他4个碳原子直接连接，构成一个牢固的结晶体。
在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而金刚石是一种亚稳定状态，金刚石只有在高温高压下才是最稳定的，天然金刚石就是炭在地幔高温高压的条件下形成的。
要在常温常压下破坏金刚石中的C-C键需要很高的能量，因此金刚石不会自动转变为石墨。
在高温高压下，石墨中的碳原子会重新按金刚石的结构排列，而形成金刚石。
人工合成金刚石的方法从原理上基本可分为：高压法（静压法，动压法）和低压法（气相沉积法）。
静压法指的是通过液压机产生压力，通过电流加热产生高温，在金属熔剂作用下使原本在石墨稳定区饱和的碳在金刚石稳定区内变得过饱和，从而析出金刚石。
该方法可以随意调节保温保压时间，可以根据需要控制晶体粒度、质量和晶形等，具有很强的操作性，是目前工业用磨料级金刚石合成使用的唯一方法。
动压法，又叫爆炸法。
也要求高温高压条件，是利用烈性炸药TNT 等爆炸时产生的平面波直接作用于石墨，产生足够的温压。
但高压高温是瞬间产生与消失，可瞬间形成细微粒金刚石，不需要复杂庞大的高温高压装置，费用低，设备较简单。
金刚石的简介
单晶金刚石的制造工艺
1.静压触媒法 是指在金刚石热力学稳定的条件下，在恒定的超高压 高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法。 2.动压法 动压法主要是爆炸法，爆炸法压力温度条件与不用触 媒的静压法相似（压力一般在20Gpa以上），但产生高温 高压的方法不同，不是用压机，而是用炸药。 3.亚稳态生长法 亚稳态生长法是在金刚石亚稳态的压力温度条件下的 生长方法。这种方法不需要高压，往往是在常压或负压 （真空）下进行。
单晶金刚石
金刚石的形态可分为单晶体， 连生体和聚晶体。单晶体可进 一步分为立方体，八面体，菱 形十二面体。下图为人造金刚 石的晶体形态，其中以六 - 八 面体形态最为常见。人造金刚 石单晶体呈平面状，具有明显 的晶棱和顶角。
单晶金刚石的特点
单晶金刚石是由具有饱和性 和方向性的共价键结合起来 的晶体，因此它具有极高的 硬度和耐磨性。
金刚石的的结构
金刚石的 碳原子在空间 构成连续的， 坚固的骨架的 结构，所以坚 硬。
金过仔细琢磨后， 无色透明正八面 可以成为璀璨夺目的 金 体形状的固体。 装饰品——钻石。 刚 自然界存在的 划玻璃、切割大石、 加工坚硬的金属，装 石 最硬的物质 在钻探机的钻头上钻 (质坚硬) 凿坚硬的岩层。
金刚石和石墨的物理性质的比较
金刚石 色态 硬度 导电性 用途
无色 透明、正八 面体形状的固体
石 墨
深灰色、有金属光 泽、细鳞片状固体
最软的矿物质之一
天然最硬的物质
不导电
钻石、钻探机的钻 头、切割玻璃等
导电良好
铅笔芯、电极等
由于天然金刚石的出产量比较低，不足以满足 现代工业化生产的需要，19世纪人造金刚石兴起了。 金刚石以其最大的硬度、半导体性质以及光彩夺目 的光泽，分别应用于钻头切割、电子工业和宝石工 业上。故人造金刚石的意义显得尤为重大。 与天然金刚石相比，它具有生产成本低，应用 效果好的优点。由于非金属材料和其他硬脆材料， 如大理石、花岗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝 土等加工工业的发展，对锯片、钻头用金刚石质量 的要求越来越高，需求量越来越大，目前世界上工 业用金刚石的８５％ 以上已由人造金刚石代替。
金刚石镀镍
金刚石表面化学镀Ni工艺研究摘要：由于金刚石表面能较高，在热压成型时很难与金属基体牢固的结合起来，因此刀具受到高的切削载荷时，金刚石很容易脱落，致使出现刀具寿命明显降低的问题，采用对金刚石的表面进行金属化处理。
本文研究了在金刚石表面金属化的各种处理方法及优化了在金刚石表面进行化学镀Ni的工艺。
关键词：金刚石；化学镀；增重率0前言金刚石具有高的热导率、低的密度、高的硬度、高的抗压强度及热膨胀系数与半导体材料好匹配等优点，但由于目前金刚石锯切工具和钻机工具多用粉末冶金的方法生产，烧结温度一般可以高达900℃，然而金刚石在空气中加热到700℃左右的时候，就开始出现氧化失重，抗压能力下降的问题；在1000℃以上时金刚石会发生石墨化，同时因为金刚石表面能很高，而且金刚石与基体润湿性比较差，与基体粘合力较弱，金刚石一般与金属基体的连接仅仅靠机械镶嵌力，却不能形成强的化学键粘合力，使金刚石在工作过程中容易脱落。
为了达到增强金刚石和金属之间的润湿性的目的，本文采用以次亚磷酸钠做为还原剂在金刚石表面进行化学镀镍的方法来降低金刚石和基体的界面能，改善他们之间的润湿性。
同时分析了金刚石表面镀覆前后不同的增重率对金刚石性能的影响。
研究了金刚石表面化学镀镍，给出了化学镀前的预处理过程和化学镀的工艺流程，并确定了化学镀镍的合理配方。
用金刚石单颗粒抗压强度测定仪测试镀覆前后单颗金刚石的抗压强度，利用扫描电镜（SEM)分析镀覆前后金刚石表面形貌、疏松致密程度等，利用X射线衍射仪（XRD)分析特征峰判断晶型非晶型、镀覆金属与金刚石有无界面生成物等。
1金刚石表面处理的发展及应用目前,在金刚石表面镀层中使用的材料主要是金属材料,所以又称之为金刚石的表面金属化处理。
在这其中根据使用地方的差异又可分为两种不同的情况:(1)表面镀钛、镀钨、镀铬等的金刚石适用于使用金属结合剂和陶瓷结合剂的砂轮；(2)镀镍和镀铜的金刚石适用于使用树脂结合剂的砂轮;1.1金刚石表面镀覆条件在金刚石表面进行镀覆时，存在非常多的形成条件和影响因素，主要有：成分条件、结构条件、工艺条件。
金刚石表面金属化_镀膜_的试验研究
金刚石是非金属 ,与一般金属或合金有很高的界面能 , 其表面不能被低熔点金属或合金所浸润 ,可焊性很差 。目前 在我国金刚石工具制造中 ,金刚石颗粒仅被机械地卡固在金 属基体之中 ,不是冶金结合 ,因此金刚石颗粒在工作中易与 金属基体分离 ,金刚石工具的寿命和性能水平大为降低 。如 能将金刚石的机械卡固改为化学结合 ,增强金刚石与金属基 体的粘结力 ,对于提高金刚石工具的性能 、提高碎岩效果 、降 低钻探成本具有重要意义 。
室内钻进试验在中国地质大学 (武汉) 钻探试验大厅进 行 ,镶在钻头上的钻齿规格为 10 mm ×10 mm ×9 mm ,所钻 岩石为 8～9 级花岗岩 。评价指标为碎岩速度 V ( m/ h) 和耐 磨性 ,即单位进尺的磨损量 W (mm/ m) 。检测结果见表 1 。
表 1 镀膜和未镀膜金刚石钻齿碎岩测试结果
利用表面金属化技术 (或镀膜) 使金刚石表面具有金属 性 ,是解决上述问题的有效措施 。为此 ,我们对金刚石表面 金属化 (镀膜) 进行了试验研究 ,其中部分内容曾以论文形式 在圣彼得堡举行的第四届复杂条件下钻探国际研讨会上进 行过宣读 ,受到了同行专家的好评[1 ] 。
金刚石知识大全
金刚石知识大全简介物竞编号：1747中文名称：金刚石英文名称：Diamond分子式：C分子量：12.01编号系统CAS号：7782-40-3MDL号：MFCD00211867EINECS号：231-953-2RTECS号：HL4158550BRN号：PubChem号：物性数据1. 性状：粉末2. 密度(g/mL at 25°C)：3.5分子结构数据1.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。
2.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。
3. 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。
4. 在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。
每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。
由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。
在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。
5.钻石的摩氏硬度为10;由于硬度最高，钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。
钻石的密度为3.52g/cm3，折射率为2.417，色散率为0.044。
计算化学数据1、疏水参数计算参考值(XlogP)：-1.12、氢键供体数量：03、氢键受体数量：24、可旋转化学键数量：05、互变异构体数量：6、拓扑分子极性表面积(TPSA)：34.17、重原子数量：28、表面电荷：09、复杂度：010、同位素原子数量：011、确定原子立构中心数量：012、不确定原子立构中心数量：013、确定化学键立构中心数量：014、不确定化学键立构中心数量：015、共价键单元数量：1性质与稳定性1. 金刚石晶体膜是一种人工合成的新型功能材料，它由金刚石微晶体构成，具有高硬度、低摩擦、高热导率(为铜的5倍)、低膨胀系数、良好抗热冲击性能、良好抗腐蚀性、极高电绝缘强度、宽波段高透过率和高电子折射率等多项复合性能。
金刚石第一课
导电性 硬度 用途
金刚石
正八面体、无色、 透明、固体 几乎不导电 最硬 钻头、切割大理石、 刻划玻璃、装饰品等
石墨
2、石墨 — 天然最软的矿物之一
深灰色、有金 属光泽、不透 明、细鳞片状 固体。
石墨很软， 在纸上划过 可留下深灰 色痕迹
石墨可做铅笔芯
铅笔里面其实不含铅，
是石墨和粘土混合而成的混合物
在氧气 点燃 中充分 C + O2 CO2（O2充足） 燃烧 点燃 燃烧不 2C + O2 充分 2CO（O2不充足）
碳具有 书写方程式 可燃性， 一定要注明 条件不同， 反应条件， 燃烧产物 冬天用煤取 也不相同。 暖一定要注 意通风。
3.碳跟某些氧化物的反应
试管为什么要略向下倾斜？ 火焰上罩网罩的作用是什么？ 实验结束时，为什么要先从石灰水 中取出导气管再熄灭酒精灯？ 反应的现象，化学方程式？
试管为什么要略向下倾斜？ 防止凝结的水流到热的试管底部使 之炸裂。 火焰上罩网罩的作用是什么？ 因为木炭与氧化铜反应的温度要求 较高，用网罩使火焰集中，提高温 度。
实验结束时，为什么要先从石灰水 中取出导气管再熄灭酒精灯？ 防止石灰水被吸入热的试管使试管 炸裂。 反应的现象及化学方程式？ 黑色的物质中有红色的物质出现， 澄清的石灰水变浑浊。
无定形碳:石墨的微小晶体和少量杂质构
成的
木炭 活性炭
吸附性
无定形碳
焦炭 炭黑
焦炭
木炭
活性炭
炭黑
木炭与活性炭
木炭和活性炭。它们具有疏松多孔的结构。
木炭
活性炭
显微镜下看到的木炭的结构
（物理性质） 木炭和活性炭均具有吸附性 且活性炭的吸附性比木炭要大
金刚石表面状态控制及应用探讨
金刚石表面状态控制及应用探讨摘要：金刚石在高频高压条件性能稳定，集机械、光电、热能、力学于一身，是绝佳的半导体材料。
高尖端技术的发展对于金刚石的精度提出了更要的要求，随着器件尺寸的不断减小，需对金刚石表面进行原子级别尺度的控制。
半导体芯片的表面控制是1nm之内，甚至精度要达到一个原子的级别。
因此对于金刚石表面的平整度控制就成为了至关重要的技术，决定了金刚石的精度和综合性能。
关键词：金刚石；表面；状态控制；应用金刚石涂层具有接近天然金刚石的超高硬度及耐磨性，被认为是精密加工石墨模具的理想刀具涂层材料。
金刚石涂层与刀具基体间的结合力及涂层表面状态是高速干式切削加工质量及效率的关键，金刚石涂层前处理过程控制及涂层工艺是影响金刚石涂层刀具综合性能的重要因素。
1金刚石的制备技术金刚石是硬度最高的天然材料，其弹性常数和机械常数最高，密度较低，在机械应用中可用作制作切削工具和耐磨部件。
为满足机械生产和高精端技术的需求，最早采用高温高压方法在人工条件下制备金刚石。
后来发展到等离子体化学气相沉积金刚石膜技术、低压气相生长金刚石技术、热丝CVD法、微波等离子体CVD法、直流电弧等离子体喷射CVD法以及电感耦合等离子体炬法等技术。
目前在国内外，MPCVD是金刚石制备的主流技术。
2金刚石表面高效机械平整化控制技术对于金刚石来说，机械抛光是最方便快捷的方式。
但是其超高的硬度和极强的化学惰性会降低抛光效率，影响平滑度。
因此要采用各类辅助抛光技术进行处理。
2.1化学辅助机械抛光化学辅助机械抛光其原理是金刚石表面的C原子将会在外力作用下会发生无序变化，具有的势能比内部C原子更高，当表面局部不平整发生摩擦时，内部就会产生应力，抛光过程中无定型碳与二氧化碳的反应势垒降低。
如果外部环境具有强氧化剂，那么反应生成的羟基来促进金刚石表面碳原子氧化脱附，从而起到辅助改善表面的作用。
典型的技术有如下：比如添加氧化剂KNO3，NaOH或KOH 利用抛光过程中的表面改性实现原子级光滑和无损的表面，采用该方法的表面粗糙度能够控制在0.2nm。
高三化学中的金刚石知识点
高三化学中的金刚石知识点化学是一门极其重要的科学，涵盖了众多的知识点和概念。
在高中化学的学习中，金刚石是一个非常重要的知识点之一。
金刚石作为一种非常具有特殊性质和广泛应用的材料，其结构和性质都具有一定的复杂性。
在本文中，我将为大家简要地介绍金刚石的结构、合成和应用。
一、金刚石的结构金刚石是由碳元素组成的晶体，其结构是由碳原子形成的三维晶体结构，每个碳原子都与其他四个碳原子形成共有四个共价键。
这种特殊的结构使得金刚石具有很高的硬度和热稳定性。
金刚石的晶格结构可以看作是由许多平面并列排列而成的，这使得金刚石具有非常高的硬度，成为世界上最坚硬的物质之一。
二、金刚石的合成金刚石的合成从19世纪末就开始了，最早是通过高温高压的方法合成。
高温高压合成是将碳原子暴露在高温高压环境下，使得碳原子结构发生变化，从而形成金刚石。
这种合成方法虽然可以得到高质量的金刚石，但是生产成本极高，应用十分有限。
随着科学技术的不断进步，人们发现了其他合成金刚石的方法。
现代金刚石的合成主要有两种方法：化学气相沉积法(CVD)和高温超高压法(HPHT)。
CVD法是通过在低压下，用氢气携带碳气体，使之在物质表面沉积，形成金刚石。
这种方法可以在相对较低的温度下合成金刚石，具有较高的产量和用途广泛的应用。
三、金刚石的应用金刚石是一种非常重要的工业材料，由于其硬度和热稳定性的特点，其应用范围非常广泛。
首先，金刚石被广泛应用于磨料领域。
金刚石砂轮是金刚石最常见的应用之一，它用来磨削和抛光各种硬材料，如金属、玻璃、陶瓷等。
此外，在工业上，金刚石还常被用作切割工具，如金刚石线骨架锯。
其硬度和锋利度使得金刚石成为切割各种材料的理想工具。
金刚石还被应用于电子领域。
金刚石的电子性质优越，如高载流子迁移率和高电导率，使其成为高功率电子器件和高速电子器件的理想材料。
例如，金刚石可以用于制造高功率场效应晶体管和高频电子器件等。
另外，金刚石还广泛应用于医疗领域。
超硬磨料金刚石表面镀覆金属的研究现状
超硬磨料金刚石表面镀覆金属的研究现状作者：东方红来源：《中国科技博览》2012年第20期[摘要]：文章简要介绍了近年来金刚石超硬磨料表面金属化的种类及研究进展，并分析了各种方法的优缺点。
[关键词]：超硬磨料金刚石表面金属化中图分类号：TD874 文献标识码：TD 文章编号：1009-914X（2012）20- 0128 -011 前言金刚石以其高硬度、高耐磨性以及优异的高导热性和电绝缘性等一系列优良的综合性能在国民经济的许多领域具有广泛的用途【1】，但由于金刚石与金属之间具有很高的界面能，使金刚石颗粒不能为金属所浸润，粘结性极差，导致磨料在工作中易与胎体金属基分离，大大降低了金刚石工具的寿命及性能水平。
因此，改善金刚石与基体的结合强度是提高金刚石工具加工效率和使用寿命的关键因素。
2 金刚石表面金属化的原理金刚石表面金属化是指利用表面处理技术在金刚石颗粒表面镀覆金属，使其表面具有金属或类金属的性能【2】，其设想：金刚石表面有具有金属特性的表面层，该表面层与金刚石晶体表面碳原子通过界面化学作用形成具有冶金结合、金属特性的表面层，它与金刚石之间有强大的结合力而不为一般机械磨擦所剥落。
金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些强碳化物形成元素如W、Ti、Cr、V、Mo、Nb 等过渡金属或合金。
这些金属或合金在高温下与金刚石表面碳原子发生界面反应，生成稳定的金属碳化物。
碳化物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合，另一方面能很好地被胎体金属浸润，能大大增强金刚石与胎体之间的结合力。
此外金刚石表面镀覆的金属或金属碳化物具有防护作用，镀层可隔绝金刚石与氧的直接接触，防止金刚石高温下被氧化【3】，这为金刚石表面金属化提供了物化基础。
3 金刚石表面金屬化的镀覆方法3.1 化学镀及电镀化学镀是在无外加电流的条件下，通过自催化过程的氧化-还原反应在金刚石表面沉积金属。
由于金刚石是非导体，本身对金属沉积没有催化作用。
在化学镀之前要对金刚石进行表面清洁、粗化与亲水处理→胶体钯敏化、活化处理→解胶【4】等预处理，其中，对金刚石进行敏化、活化处理是最为关键的一步，它直接关系到镀层的均匀度和与基体的结合力。
金刚石的化学性质
疏水性：金刚石对水不润湿，然而容易粘油。
这种疏水亲油的特征是由金刚石的 sp 3 杂化的非极性键的本质决定的。
这一特性不仅提示人们可以使用油脂去提取金刚石，而且在制造金刚石磨具时，宜选用亲油基团的有机物作为金刚石的润湿剂。
常温下的化学稳定性：在常温下，金刚石对一切酸碱盐等化学试剂都表现出很强的惰性，王水也不会与它发生化学变化。
在加热情况下（1000 ℃以下），仅有个别氧化剂与之反应。
利用金刚石的化学稳定性，可以用酸碱来提纯金刚石。
热稳定性：金刚石在纯氧中600 ℃就开始失去光泽，出现黑色表皮， 700 ～800 ℃开始燃烧，生成二氧化碳。
人造金刚石在空气中开始氧化的温度是 740 ～840 ℃，有的产品在600 ℃就开始氧化。
金刚石在空气中开始燃烧的温度大约在 850 ～1000 ℃。
金刚石的热稳定性与晶体的完整程度以及杂质的含量有关。
金刚石的石墨化现象：在真空或者惰性气氛中，当加热到某一高温时，金刚石就会发生石墨化现象，即发生向石墨的转变。
1500 ℃的时候能检验出表面开始石墨化，随着温度的升高，石墨化速度加快，并且在1700 ℃左右开始整个晶体迅速石墨化。
在2100 ℃时，一颗 0.1 克拉（ 1 克拉＝ 0.2 克）的八面体钻石在 3 分钟内全部化为灰烬。
当存在哪怕少量氧气时，石墨化在较低温度下就开始了。
过渡金属的存在会加速金刚石的石墨化过程。
与过渡金属的化学作用：一些过渡金属能够与金刚石起化学作用，促使金刚石发生解体。
这些金属分为两类：一类是周期表中的Ⅶ B 族和Ⅷ族的元素，如铁、钴、镍、锰以及铂系金属，这些元素在熔融状态下是碳的溶剂，在磨削高温下会使金刚石产生溶剂化现象；另一类是容易生成稳定碳化物的金属，其中包括Ⅳ B 、Ⅴ B 、Ⅵ B 族，例如钨、钒、钛等，这些元素易于和金刚石发生结合，生成相应的稳定碳化物。
金刚石与过渡金属的作用是用它加工这些材料时发生粘刀现象的本质，从而也决定了金刚石工具、磨具的使用范围。
金刚石
物理性质
硬度
颜色
摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石 硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。
依照摩氏硬度标准（Mohs hardness scale）共分10级，钻石（金刚石）为最高级第10级；如小刀其硬度约 为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。
根据指示矿物来寻找金刚石矿的方法并不是在哪一天突然发现的。上世纪70年代，美国史密森研究所的地球 化学家约翰·贾尼在仔细研究了石榴石和金刚石之间的关系后发表了他的研究结果。但是，在那之前，即上世纪 50年代，德比尔斯公司的地质人员早就根据指示矿物在世界各地寻找金刚石矿了。
世界各地都发现了金刚石矿。其中，澳大利亚、刚果、俄罗斯、博茨瓦纳和南非是著名的五大金刚石产地。
光学性质
(1)亮度（Brilliance）金刚石因为具有极高的反射率，其反射临界角较小，全反射的范围宽，光容易发生 全反射，反射光量大，从而产生很高的亮度。
(2)闪烁（Scintillation）金刚石的闪烁就是闪光，即当金刚石或者光源、观察者相对移动时其表面对于白 光的反射和闪光。无色透明、结晶良好的八面体或者曲面体聚形金刚石，即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。
人造
人工合成金刚石的方法主要有两种，高温高压法及化学气相沉积法。 高温高压法技术已非常成熟，并形成产业。国内产量极高，为世界之最。 化学气相沉积法仍主要存在于实验室中。郑州大学单崇新教授团队开发出化学气相沉积方法合成金刚石单晶 和克拉级金刚石的工艺，合成出质量1.2克拉以上、颜色优白级、净度SI1级的高品相金刚石。
用途
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• 连生体进一步分成不规则连生体、平行连生体和双 晶(有连生双晶、穿插双晶、板状双晶等)。 • 多晶体有圆粒金刚石(波尔特型)、浅红金刚石和黑 金刚石等几种。 • 圆粒金刚石是由颗粒连生体和不规则连生体等微 晶形成的球状集合体，呈乳白色到钢灰色，常有裂 缝，硬度很大。 • 浅红金刚石是一种由中心向外放射状排列的微晶 金刚石组成的集合体，外形呈圆球状。这种多晶体 外壳坚硬，内核较软，硬度比圆粒金刚石和黑金刚 石低，强度比圆粒的高。 • 黑金刚石由更细金刚石组成的微密或多孔的集合 体，呈黑色、灰色或绿色，外形不规则。有的黑金 刚石表面有珐琅光泽，硬度略低于圆粒金刚石，但 韧性好。
金刚石表面特性及 表面金属化
—— 金刚石表面处理专题报告——
傅圣利
前 言
• 金刚石由于具有高硬度、低摩擦系数、高热导率、 低膨胀系数、低放射性等许多优异的物理特性， 在许多工业领域都得到应用。尤其是由金刚石和 金属、陶瓷或高分子树脂结合在一起做成的金刚 石工具，不仅被广泛用于民用建筑与土木工程、 石材加工业、汽车工业、交通工业、地勘与国防 工业等领域和其它现代高新技术领域，而且在宝 石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶 瓷、复合金属和硬脆材料等众多新领域不断出现， 社会对金刚石工具的需求也逐年增加。
3.1 基本原理
• 在金刚石表面镀覆或增加涂层以改变金刚 石表面粗糙镀对于树脂基金刚石工具也是 常用的变法，但其结合强度没有化学结合 显著。 • 金刚石表面金属化不仅能使金刚石与金属 粘接剂产生化学键合，而且能改变金刚石 表面形状，增加物理嵌合作用，提高金刚 石把持力，是金刚石最普遍采用的表面处 理方法。
• 空气中温度高于650℃时，-NO2、-NO3、 -SO3H基吸收带消失，桥接的含氧基吸收带强 度降低； • 用氢处理甚至在20℃时，呈现不同C-H基的 特征吸收带，同时-C=O、-COOH、-CHO和 -CO-O-OC-消失；900℃时用氢处理导致 -OH基脱除和C-H键含量增加。 • 化学改性处理对金刚石与水的表面接触角 影响很大（表3）：
• 八面体与菱形十二面体聚形 及八面体与立方体聚 形：
人造金刚石形状
• 人造金刚石单晶呈平面状，具有清晰的晶 棱及顶角。人造金刚石比天然金刚石的晶 棱及顶角更明晰，晶面更平整。人造金刚 石立方体与八面体的聚形多见，很少见到 菱形十二面体。
人造金刚石形状图
八面体与菱形十二面体聚形
八面体与立方体聚形
• 张书达、朱瑶华[1] 利用二次离子质谱法(SIMS) 对金刚石表面杂质元素N、Na、Mg、Si进行了 分析和测量，并用Ar+剥蚀金刚石表面，发现 杂质浓度最大值均位于最外的一薄层内。 • 李颖、李焕锋等[2]用热分析和红外分析对爆轰 纳米金刚石进行了研究，发现空气中纳米黑色 金刚石在478℃~515℃开始氧化，N2中加热到 700℃之前失重很少；灰色纳米金刚石在570℃ 开始氧化，N2中加热到950℃之前失重很少， 仅为2.3%。
• 随着改性处理温度增加，KOH熔滴扩展时间增 加，证明在金刚石表面形成了疏水官能团膜层。
• 用甲烷对金刚石变性处理导致表面形成不同的 含氢基，包括多种双键和键价复杂结构碳氢成 分，并减少氢的吸附，影响金刚石的氧化速度。 • 在20℃经甲烷改性处理金刚石，其氧化速度会 急剧降低，在550℃处理时则无论是水蒸气氧 化还是空气氧化，都是稳定的。
• 要解决该问题，就必须对金刚石的表面性质及与 金刚石粘接基体的界面性质有透彻了解，对金刚 石与粘接剂结合的原理和机制有深入研究；开发 出适合金刚石复合材料及相关材料的制备工艺， 并严格控制工艺过程，才能改善金刚石表面和粘 接材料的表面性能，提高界面结合强度，制造出 性能优异的金刚石产品，最终解决金刚石把持力 不牢的问题。 • 以下就金刚石表面及界面问题的相关主题和研究 状况作一综述。
2.1金刚石表面杂质、空气氧化和腐蚀
• 金刚石内部碳化学键是饱和的，表面碳原 子有“自由”化学键（“断键”），这些 “自由”化学键若与相邻的“自由”化学 键结合则是sp2杂化形成C=C双键，双键较 活泼 ；“自由”化学键也可能为表面杂质 原子及官能团所饱和，形成杂质覆盖层。 • 金刚石粒度越细，表面吸附杂质越多，纳 米金刚石更甚，这就为金刚石表面改性提 供了可能。
1.1金属与金刚石表面的浸润性
• 金刚石与一般金属和合金之间有很高的界面能，不能为一 般熔焊金属所浸润和焊合（表1，2）。
1.2强碳化物形成元素的作用 • 1958年美国通用电气公司报道将氢化钛加 入到Ag-Cu合金中，在金刚石工具烧结时， 氢化钛分解成原子钛，从而实现对金刚石 的焊接[6]，随后出现了许多以氢化钛或氢化 锆为添加剂的专利[7-10]；此后许多研究者开 始把钛、锆、铬、钒等元素加入到铜银合 金中，从而出现了真空焊接金刚石的合金 材料及工艺[11]；1981年后，林增栋、徐乍 英等[12-14]进行了较多研究，并实现了该技 术在中国的实际应用。
• 红外分析表明金刚石表面含有-COOH、-OH、-CH、 -C=O、-NO2、-C=C-等基团，在空气中烧蚀，残余 的基团较少，在N2中烧蚀大部分基团能够保留。 • 户仓和、吉川昌范[3]把金刚石放入700℃~900℃空气 中14min~30min，研究了空气对金刚石腐蚀，发现 金刚石表面腐蚀成凹凸状，（111）面腐蚀速度比 （100）面快；腐蚀能增大金刚石表面积，腐蚀时 间15min，温度900℃，表面积可达到最大，金刚石 与镀镍层的结合强度最高。 • 赵玉成、邢广忠等[4]采用熔融硝酸钾在560℃~600℃ 对金刚石处理30min~60min，由于化学处理消除或 钝化了表面裂纹，应力集中得到释放，金刚石强度 可提高12.4%~27.6%。
• 多晶金刚石又称聚晶金刚石，与单晶金刚石相比， 多晶金刚石有更多的晶棱和磨削面，每条晶棱都 有切削能力。聚晶金刚石具有自锐性和韧性，在 加工过程中会破碎成更小的颗粒，新的裂面形成 更锋利的切削棱，具有比单晶更独特的性能。
以下是某公司聚晶金刚石产品性能
天然金刚石形状
• 天然金刚石常见的形状为八面体和三角薄片双晶， 菱形十二面体少见，立方体更少。除此外，还有 凸八面体、凸十二面体、凸六面体及其聚形体等， 而聚形体要比形状规则的单晶体常见。 • 晶面上常有阶梯或不平的“浮雕刻象”，八面体 的晶面上有时出现三角形坑穴，它的顶角朝着八 面体的晶棱，立方体的晶面则有漏斗状凹陷，而 菱形十二面体的晶面上常有深暗的线纹。 • 由于地壳的运动以及自然的冲积作用，曲面晶体 要比平面晶体多。
• 高温时水蒸气在金刚石表面发生作用，所有的表 面基团会被置换为-OH，在水分子进一步作用下， 表面与空间碳原子之间键合断裂，形成新的-OH、 -C=O、-COOH，它们的置换和分解导致CO、CO2 的形成。 • 表面用气体化学改性处理使金刚石粉末电阻率和 热导率变大（表5）。
• 化学改性可对金刚石冷压极限压力和压制密度产 生影响（表6）：
天然金刚石形状图
天然金刚石图1
天然金刚石图2
立方体
歪斜八面体
曲面四六面体
带壳金刚石
天然金刚石形状图
菱形十二面体
八面体
三角薄片双晶
四面体穿插双晶
八面体连生双晶
菱形十二面体连生双晶
1.3金刚石表面缺陷
• 金刚石在形成过程中表面会出现三角凹痕、三角 座（突起的三角形）、生长阶梯、纹理、结节 （纹理发生改变处）和凹角等生长特征，使金刚 石表面变得不平整。
1.1 金刚石的颜色
• 人造金刚石常为浅黄色、浅黄褐色、浅黄 绿色、褐色等，无色人造金刚石很少；天 然金刚石98%都是无色至浅黄色，白色金刚 石很少，玫瑰色、粉红色、蓝色、绿色、 黑色、茶色十分稀少。
1.2 金刚石的形状
• 由四面体组成的金刚石常见晶体有立方体、八面 体和菱形十二面体。金刚石的晶体形态分为：
• 伴随着中国制造产业的崛起，中国金刚石 工具产业也得到了飞速发展，中国已有金 刚石工具及相关材料和机械制造的生产厂 家有上千家，年产值超过几千亿元，已成 为国际金刚石工具市场的主要供应国之一。 • 金刚石工具在使用过程中普遍存在金刚石 大量脱落的问题，使金刚石工具性能下降， 成本上升，这涉及到不同材料间的界面结 合。
• 金刚石表面化学改性处理可改善金刚石磨 块烧结性能（表7），预先在600℃用CO2做 催化氧化处理，然后在500℃用甲烷改性处 理2小时，此时烧结后磨块性能最佳。
三、金刚石金属化
粘接剂对金刚石的的把持力不外乎三种： 机械镶嵌力、物理吸附力和化学键合力。 物理吸附力最弱，机械镶嵌力取决于金刚石表 面的粗糙度及粘接剂的强度与硬度，化学键结 合力最强。由于金刚石硬度很高，故一般改变 金刚石表面粗糙度的方法费工费时；粘接剂的 组成主要由工艺所决定，一般也不随便改变； 改善粘接剂对金刚石的把持力最有效办法为使 粘接剂与金刚石之间形成化学键结合。
2.2金刚石表面化学改性
• 王光祖、贾美伦译[5]“金刚石表面的化学状 态对其性能的影响”的文献中用浓硝酸和 发烟硫酸混合处理，红外光谱表明金刚石 表面含有： -OH、-C=O、-C-O-O-C-、 -CO-O-OC-、-C-O-C-、-NO2、- NO3、 -SO3H等多种基团。 • 450℃用空气处理，这些官能团覆盖层没有 明显改变。
• 纯金属与金刚石表面的浸润θ角如表1，绝大多 数均在90°以上，说明浸润性很差；只有铝在 1100℃对金刚石有明显的浸润，但此时金刚石 已有石墨化转变。 • 通过在低熔点金属Cu、Ag、Sn、Pb等中添加 Ti、Zr、Cr、V、B、Si等元素可改变金属对金 刚石的浸润性（如表2），添加元素与金刚石 表面形成稳定碳化物，且可以在金刚石晶体上 外延生长，从而在金刚石表面和合金溶液间形 成碳化物界面，金属合金对金刚石的浸润和焊 合就转变为合金对碳化物界面的浸润和焊合， 使界面性能得到改善。
三角凹痕
生长阶梯
纹理和结节
二、金刚石表面的化学特性
• 金刚石为碳单质，常含有Si、Mg、Al、Ca、 Mn、Ni、Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、 N等杂质元素。 • 金刚石化学性质非常稳定，在酸、碱中均 不分解。在熔融的硝酸钠、硝酸钾、碳酸 钠中有溶蚀；此外浓硫酸、铬酐、浓硝酸 和双氧水等在较高温度下对金刚石表面有 一定程度的腐蚀； • 金刚石在高温下能转变成石墨被空气氧化。