人工合成金刚石理论与技术

人工合成金刚石理论与技术

【摘要】

金刚石作为一种贵重，稀有的非金属矿物，一直在国民经济中发挥着重要作用。其在工业上和生活中但扮演着重要角色。但是它的匮乏很大程度上限制了它的发展，人工合成方法应运而生。本文主要介绍几种金刚石的人工合成的理论和方法。

【关键词】金刚石人工合成

【正文】

一、金刚石的重要价值

由于金刚石所具有诸多优异特性,它已经已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。

金刚石硬度很大，可以利用它作

精细研磨材料、高硬切割工具、各类

钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件；金刚石的导热率高、电绝缘

性好,可作为半导体装置的散热板。除此之外它还有良好的透光性与耐腐蚀性。现代更有功能金刚石的诞生。

人造金刚石更是被誉为“21世纪

的战略性材料”。因此对于人造金刚

石的合成的研究具有非常重要的意义。

二、自然金刚石形成机理

人类最早是在火山爆发的岩筒

中发现的，它形成于金伯利岩中。

金伯利岩体分布在古老刚性“地台”区。它的熔浆来自地下100km～200km 的上地幔，沿深大断裂向上侵入，期间不断受阻，并形成高温、高压，这

是个漫长的阶段,，早期结晶矿物有橄榄石、镁铝榴石、金刚石，随之结晶

出铬透辉石、铬尖晶石。随着岩浆逐

步上升，温度、压力逐步降低，岩浆

发生蒸馏作用，生成镁钛铁矿和金红石。当岩浆达浅成带部位时，温度、

压力更低，挥发组分大量析出，生成

矿物有钙钛矿、钙镁橄榄石和磷灰石。当岩浆压力超过上覆岩层压力即爆发。因岩浆是多期继续上升, 先期结晶的

岩石碎块和矿物被后期岩浆胶结。无

论是在深部还是浅部的金伯利岩体都含金刚石。金刚石包裹体中有镁铝榴石、橄榄石、铬尖晶石。还有镁铝榴

石包裹金刚石、金刚石包裹金刚石，

皆说明金刚石结晶的多期性。由于岩

浆上升, 挥发份活化, 水分子反应强烈, 形成蚀变次生矿物, 有蛇纹石、

碳酸盐、绿泥石、滑石等。因此, 岩

体上部比下部金刚石含量多。还有金

伯利岩体捕掳体和围岩中发现金刚石，而找不到与金伯利岩浆有任何联系，

推断这可能是一种高温汽成的金刚石。关于金刚石生成的温度和压力，依金

刚石生成的多期性，即从岩浆早期至

岩浆后期，至热液、汽成各阶段都可

找到金刚石，说明金刚石晶出的温度、压力范围很宽。「5」

总之高温高压是金刚石形成必

不可少的条件。

三、人工合成金刚石原理

众所周知，金刚石与石墨的化学成分相同，都是碳元素的单体，他们

之间的转换在理论上是行得通的。

在研究石墨 -金刚石的转变过

程中，化学家首先考虑到的是热力学

圈题，因为热力学问题，因为热力学

条件决定了两者之间转变的方向与程

度的问题。在一定温度和压力下，

热力学常用产物和作用物之间自由能

改变的正或负来判别一个反应自动进

行的方向。因此自由能大的状态总是

向对于自由能小的状态自动进行。在

石墨—金刚石的转变过程中，自由能

的变化:

△z=z金刚石一z石墨

式中Z石墨表示反应物石墨的

自由能，z金刚石表示产物金刚石的自由能若:

(1) △z=z金刚石一z石墨＜0。则在反应的温度和压力下，石果能自

动地蒋变为金刚石，因为在此条件下，金刚石自由能小于石墨。

(2) △z=z金刚石一z石墨＞0。则在此反应的温度和压力下，石墨不

能自动地转变为金刚石，因为在此茶

件下，金刚石自由能大于石墨。

（3）△z=z金刚石一z石墨=0.则在此反应的温度和压力下。金刚石和石

墨具有相等的自由能，两者处于平衡

状态。

如上所述，石墨和金刚石的相互转变能否自动进行，主要依赖于外界

条件。根据热力学计算的预测，只要

适当控制外界茶件，石墨转变为金刚

石的反应是能实现的。「4」

四、现代人工合成金刚石技术

1.静压法人工合成转化

依天然金刚石生成原理, 利用

专用金刚石压机产生高压, 同时加温, 在金屑触媒作用下, 使石墨转化为金

刚石。对此有多种解释, 以溶解说居多, 即碳被金属触媒溶解, 通过渗透、热扩散及活化能转换使被溶解碳以

SP3 杂化而形成金刚石。碳被溶解是

事实, 然而此论点具狭隘性, 碳虽能

被溶于某些金属( 如Sn等) , 却并不

生长金刚石, 这当然要求合成金刚石的触媒金属的晶体结构、电子结构与

碳对应, 即3d 外层电子不饱合。尽管方法、途径不同, 人造金刚石与天然

金刚石生成机理有一致性。「5」

2.气相CVD 法合成金刚石

利用甲烷、乙炔、丙酮等含碳化合物为碳源, 在容器内通过热丝、微波、等离子体等方法加热, 使其电离

分解, 由于基板处温度低, 活化碳在

基板上沉积成金刚石膜, 通过热丝与

基板间外加直流电场对等离子体的吸

引和通入Hz、Ar 或H2、O2 气体, 调

节金刚石膜

生长.其本质是典型的碳化物分解,

即化合与分解不是同时进行, 预先制

得碳化物, 只需要分解一个过程得到

活化碳, 它应是负离子碳, 中和后得

到金刚石膜。如果生长和控制条件改善, 有望制得无色透明大单晶金刚石。

自从1963年中国科学家们打破

国际封锁和技术断垄，成功地合成出

我国第一颗人造金刚石，一举成为世

界上为数不多的掌握此项技术的国家

之一，人工金刚石行业得到飞速发展。现在我国在宝石级金刚石以及微晶纳

米金刚石合成方面取得了很大进展,

但与先进国家尚有不少差距,对于纳

米金刚石的研究,要向着能满足各工

业技术要求的方向发展,企业多引进

研发技术人才,尽快使研究成果由实

验室阶段向生产力的转变。人造金刚

石事业还需大力发展。

【参考文献】

「1」崔云浩，人造金刚石的历史及现状，科学中国人，1995年5月，49页

「2」高晓伟1、孙闻东2，对石墨转化金刚石反应条件的讨论，化学教学报，2009年第五期第三版

「3」洪时明，功能金刚石研究在日本的进展，成都大学高温高压物理研究所