金刚石（ 英语 : diamond ），是一种由碳元素组成的矿物，与 石墨 互为 同素异形体 ，主要分为天然金刚石和 人造金刚石 两类。 碳原子 之间以sp³ 杂化轨道 键合形成的 立方晶系 晶体 ，为无色透明、高压稳定的 超硬材料 ，与 石墨 一起构成了碳的代表性同素异形体。 其具有较稳定的 化学性质 ，拥有超常的硬度、较好的 折射率 和耀眼的色彩等特点。 可由静态法、动压法、 化学气相沉积 法等制得人造金刚石。金刚石已广泛应用于 机械工业 、光学、 电子学 、珠宝等领域。
发现历史
金刚石，原名来源于希腊文“adams”，即“无敌”之意。
最早发现金刚石的国家是 印度 。在2800多年以前，安得拉戈尔康达王国（现在印度）的 克里希纳河 ，彭纳河和它的分支地区都曾大规模地开采过金刚石。18世纪中期之前，戈尔康达是世界上最大的金刚石供应地。
十七世纪中期， 巴西 在皮奥伊、 米纳斯吉拉斯州 等地发现了金刚石砂矿床，此后巴西取代了印度，成为世界上金刚石地的主要来源。
1866年， 南非 首次发现金刚石，这是全球金刚石找矿历史上的一个具有历史意义的转变。这颗金刚石是达尼尔雅科布斯（Daniel Jacobs）的女儿在 开普省 金伯利城以西的霍普敦（Hopetown）附近的 奥兰治河 （Orange river）边玩耍时发现的。1869年又在南非发现了" 南非之星 "。此后在 南非联邦 掀起了寻找金刚石的高潮，先后在 奥兰治河 及其支流瓦尔河道处发现了多处大规模、高品质的金刚石砂矿，此后数年，南非又多处发现金刚石原生矿床。随后， 苏联 、 澳大利亚 、扎伊尔、中国等国家也相继发现金刚石。
由于天然金刚石的数量太少，于是人类开始尝试人工合成金刚石。 法国 化学家 亨利·莫瓦桑 （H.Moissan）认识到将自然界中石墨是在高温高压条件下转化为金刚石，便设计了模仿自然过程的将石墨转化为金刚石的实验。他将多层石墨溶入刚熔化的钢铁，并企图利用将液态的钢铁在迅速冷却之后，当铁变成固态时形成的强大的压力作用下，石墨很快就变成了金刚石。1880年， 英国 科学家汉内（J.B.Jannay）报导说他将碳氢化合物， 骨油 和锂的 混合物 密封于熟铁管中加热到炽热制备出了金刚石。1955年， 通用电气 研究发展中心的科学家，本迪（F.R.Bundy）、霍尔（H.T.Hall）等人做出了突出贡献，他们的方法克服高温高压工程、材料、测试等诸多困难，首次成功地将 石墨 与含碳物质在金属熔体中转变成金刚石。
成因与分布情况
天然金刚石成因
岩层底部为热态和氧 逸度 差异显著的地区。因此，这一区域是一个理想的区域，这里的平衡气体成分会发生向上迁移而出现不均衡。金刚石的 成核 过程需要 甲烷 的氧化或 二氧化碳 的还原，在 岩石圈 和 软流圈 的斜坡 相交 的地方很容易发生。因此，从软流圈中出来的 CO₂ （或CH₄）气体，可以通过在岩石圈的底部进行还原或（氧化）而在矿物粒子间沉积，最终形成金刚石。因此在岩石圈--软流圈交界面与金刚石--石墨相转变面所限定的 透镜 状区域内可能会形成金刚石。而且，不同深度下的金刚石，其形状也是不同的。研究显示， 岩浆 温度、岩浆在岩壳中滞留的时间、 氧气 逸度 等是影响金刚石稳定性的重要因素。在这些因素中，氧气逸散对环境的影响最为显著。当氧气浓度越大、温度越高、金刚石迁移时间延长时，金刚石容易被氧化，难以保存。
分布情况
金刚石矿床分布在A型（>25亿年）克拉通和P型（16亿～25亿年）克拉通上。目前世界上主要的金刚石矿山集中分布在 南非 、 西伯利亚地区 、北美、 西非 、 中非 和 澳大利亚 6个A型克拉通上。目前世界上有48个国家发现了金刚石。
物质结构
金刚石结构分为 立方晶系 四面 六面体 立方体 与 六方晶系 。除 面心立方 晶胞所含有的 原子 外，其内体 对角线 上还存在4个原子。每个金刚石结构的惯用 原胞 共含8个原子。这种结构类似于原来互相重叠的两个 面心立方 子晶格沿体对角线相互平移错开体对角线长度的1/4套构而成。尽管它是由全同的 碳原子 组成，但顶点和面心上的原子与惯用原胞内的原子间的取向不同，因此金刚石结构不是 奥古斯特·布拉菲 格子而是复式格子 。金刚石结构的布拉菲格子是面心立方，初基原胞为 平行六面体 ，基元包含2个全同的原子，分别位于（0.0,0）和（1/4，1/4，1/4）处。下图展示了金刚石结构的惯用原胞，
当碳原子构成金刚石时，碳原子2s和3个2p轨道经过sp杂化之后将形成四个等性的sp³ 杂化轨道 ，每个sp³杂化轨道都具有1/4的s成分和3/4的p成分，因此它们的形状相同。它们的对称轴 相交 成一定的角度并指向四面体的4个顶角。每个 碳原子 用这种杂化轨道与相邻的4个碳原子形成4个“头碰头”的σ 共价键 ，碳碳 单键 方向性和饱和性。 晶体 中没有自由电子，所有 价电子 都参与成键，而处于金刚石表面的碳原子存在一 悬挂键 。sp³杂化轨道所形成的 正四面体 结构，可以存在于 立方晶系 中，也可存在于最密 六方晶系 。因此，金刚石便具有两种不同的 晶体结构 六方金刚石 和立方金刚石。
金刚石是 单质 碳，与 石墨矿 、 黑钻石 、 富勒烯 矿等矿物为同质多象体，属于 等轴晶系 。由于在形成过程中常常受外界环境的影响而使晶面、晶棱受到熔蚀（或溶蚀）而呈弯曲不平。熔蚀与其形成过程中的氧 逸度 有关，低氧逸度往往导致更多的熔蚀坑。晶形常呈浑圆状，在 晶体 表面，常出现三角形、 四边形 、网状、锥形等凹陷（这就是蚀象）。
理化性质
物理性质
力学性质
硬度和耐磨性
金刚石是当今世界上最硬的物质，它具有极好的耐磨和研磨性能，超过了任何一种 磨料 。它的 莫氏硬度 达到10，维氏硬度达到98GPa。不同矿床的金刚石在硬度上有差异，同一矿床产出不同颜色的金刚石其硬度也不相同。， 包裹体 的存在也影响金刚石的硬度。包裹体越多，金刚石的硬度愈小。 此外，自然界中还存在一种名为六方金刚石（ 六方钻石 ）的矿物，其硬度比普通金刚石更高，但仅在陨石中发现；实验室中也已合成出硬度达276GPa的超细纳米孪晶金刚石块材，刷新了材料硬度的世界纪录。
脆性
金刚石的脆性较差，在较小的冲击下，会导致金刚石沿着 解理面 断裂。含有包裹体和已经破碎的金刚石碎块，耐冲击力更小。
比重
比重质纯、结晶完好的金刚石比重为3.52。由于金刚石 晶体 中包裹体的种类和数量不同，金刚石的比重也不尽相同，一般为3.47~3,56。含石墨包裹体多者比重小。
光学性质
颜色
颜色纯净的金刚石无色透明，但比较少见。多数金刚石晶体呈不同颜色，最常见的是黄色、浅黄色、绿色、浅绿色、 棕色 和浅棕色，其次是 橙色 、黑色等。红色、蓝色的金刚石比较少见。
光泽
根据金刚石光泽的强弱，可以划分为强、中、弱三种。
透光率、 折射率
金刚石的透光率高，折射率高，对其进行研磨成细小颗粒，能反射出更多的光，使其看起来更加明亮；高色散度也会让金刚石产生“光彩”，其原因是白光被金刚石具体分散为单色光。金刚石的色散值是 天然宝石 中最大的。理论分析表明，纯净的金刚石应该是无色的。它能穿透包括 红外线 和 紫外线 在内的多种波长的光线。这是由于在将金刚石 晶体 中的 电子 从 基态 激发到第一 激发态 ，这比 可见光 的能量（1.77-3.10电子伏特）要高得多。
透明度
透明度是衡量金刚石质量的重要指标之一。纯净金刚石透明如水，随着金刚石晶体所含 微量元素 和杂质元素不同，金刚石透明度分为透明、半透明、不透明三种。
电、磁、热性质
电性
一般来说，金刚石是电的不良导体。金刚石的 电学 特性以可掺杂性为主，经适当的掺杂，可以获得具有 半导体材料 特性的金刚石。与半导体材料硅和锗相比，金刚石的 电化学 性能及Johnson价 质数 均高得多。
磁性
金刚石是一种不具有磁性的 矿石 。但有些钻石 晶体 因其包含 磁铁矿 、 钛铁矿 等磁性 包裹体 而产生磁性。
导热性
在常温条件下，金刚石的导热系数是目前已知的最好的。CVD金刚石 的热导率在1000~2000W/m·k之间，比天然金刚石的高，比铜高出6倍，是 硬质合金 的13~26倍。
耐热性
金刚石的 化学性质 很稳定，可以在任何高温下耐受具有非氧化性的酸，但不能抵抗 强碱 、 含氧酸盐 和熔融金属。在720~800°C的纯氧条件下发生氧化，在800~1700°C的真空条件下，会形成一层薄的石墨化层，在 氮气 和 氢气 的保护作用下，即使1000℃下不发生氧化。
化学性质
化学稳定性
金刚石的化学性能稳定，能够耐各种温度下的 非氧化性酸 ，但是不耐强碱，含氧酸盐以及熔融金属。例如用 强氧化剂 高 氯酸钾 （KCIO)、 高氯酸钠 （NaCIO）在380℃下对金刚石的{111}面侵蚀181h后，该面出现腐蚀现象。在430℃的 硝酸钠 熔盐 中，以及在熔融的金属中会发生溶解。
氧化性
在 氧气 中600℃时开始氧化，720℃时燃烧，在空气中850℃时燃烧。低真空度如1kPa～1Pa环境中残存的氧气，会使金刚石表面生成一层致密黑色的 石墨 膜，可用热的 高氯酸 或 王水 除去。该石墨膜的形成温度在600℃以上但是并非是金刚石向石墨的固态 相变 ，而是 一氧化碳 或 二氧化碳 的转变产物。在洁净的惰性气体中加热到1500℃，金刚石的石墨化反应才会开始，而在2100℃时，石墨化速度加快。用离子束侵蚀技术可达到2000 Å/ min的侵蚀速度。
表面性质
金刚石是一种非极性矿物，它的表面亲油性较高，润湿 接触角 为80°～120°。金刚石本身的纯度以及表面的清洁程度都会影响余刚石表面的性能。
制备方法
静态法
静压触媒法是在高温、超高压、金刚石热稳定性的条件下，通过 催化剂 的作用，制备出金刚石。它是由 石墨 作为原材料，由过渡金属或合金作为催化剂，由液压机械驱动，产生恒定高压，通过直流或交流的电流，在石墨上形成持久的高温，从而将石墨转变为金刚石。转化条件一般为：压力5~7GPa，温度1300~1700℃ 。
金属 催化 石墨转化为金刚石反应原理
金属催化石墨转化为金刚石反应有两种理论。一种是金属表面作用的理论：金属 是一种 立方晶系 晶体 。镍 原子 的二维密置层的 法线 方法是立方晶胞的 对角线 方向，在晶体上成为（111）方向，而每个镍原子周围有六个镍原子的二维密置层称为（111）面。镍原子之间会构成正三角形，三角形的边长为249pm。与石墨二维面上的 碳原子 之间相互连接构成的三角形的边长（246pm）非常相近。当金属镍的表面正好是（111）面而又正好对着二维平面时，镍原子便和碳原子之间一对一地形成了 化学键 ，在 石墨 的二维平面上，有一半的碳原子被拉到了镍的表面，在高压下，石墨的层间距从335pm被压缩，从而使碳原子的杂化类型由sp²转化为sp³。由于铁、钴、镍这些元素它们结晶形状都是相似的，所以它们使石墨向金刚石转变的 催化剂 。另外一种理论是，石墨中的碳可以单独的进入到金属 原子 四面体空隙 中，并在金属原子的作用下使其 原子轨道 杂化成sp³， 碳原子 与其他原子的扩散接触而形成金刚石。
动压法
动压法以爆炸法为主。采用 黑索金 、 三硝基甲苯 等强力炸药，在极短的时间内，爆炸产生强 冲击波 对 石墨 进行了强烈的冲击，就能形成60-200GPa的高电压和几千度的高温，将石墨转化成金刚石。一种常见的爆炸法装置是单飞片装置。
化学气相沉积
化学气相沉积技术是将所需要的气体在较低的温度下 解离 为碳原子原子、 甲基 原子团等一些活性粒子，并对其它影响因素进行控制，从而在基质上形成一层金刚石薄膜的一种化学气相沉积法。
（1）热丝直流 等离子体 （HFCVD）制备方法 ；
原理：在靠近基底表面的 螺线 乌丝上，对 钨丝 施加电流，从而控制 灯丝 的温度，然后注入含碳气体和 氢气 ，然后高温加热，将其分解为含有碳的活性 基团 和氢原子，再进行一系列的化学反应，最终反应达到 基体 的表面，并在适当的位置形成晶核，最终沉积形成金刚石薄膜。
（2） 微波 （MPCVD）制备方法 ；
原理：微波等离子体与其它等离子体不同，它是通过高频率的微波 电场 引起 电子 的强烈振动，并与含碳气、氢气发生碰撞而激发生成反应活性基团和 原子 ，并通过加热衬底来达到在衬底上形成金刚石薄膜的目的。 石英 管式MPCVD装置是目前 化学气相沉积 金刚石普遍采用的方法之一 。
（3）直流 电弧 等离子体 喷射（DCAJ CVD）制备方法;
原理：工作气体如Ar、H₂和 CH₄ 等在棒状 阴极 与 水冷 铜 阳极 之间进行直流电弧放电下大面积 电离 ，从而产生高温等离子体，离子体的高能量和一系列复杂的化学反应导致了 甲烷 的 脱氢 ，其中 碳原子 在气场和 电磁场 的双重作用下，以极快的速度喷射到 基板 上，最终在 基板上形成了一层金刚石薄膜。
（4）直流 热阴极 等离子体（DCPACVD）制备方法 。
在阴极和 阳极 之间施加直流电压。采用脉冲高压放电，使阴极和阳极之间的气体放电，形成 电弧 ，产生 等离子体 。在阴极和阳极之间通人的Ar₂、H₂和 CH₄ 的混合气体通过喷嘴处的等离子体区时,被迅速加热到高温，在 电离 、热解和光辐射三种机制作用下产生高密度的离子、 自由基 以及中性 基团 等。它们在压力差的作用下，以接近 音速 的高速度从喷嘴喷出,形成了等离子体 射流 。该等离子体射流撞击基底上冷却，沉积为金刚石膜。
应用领域
机械工业领域
作为磨削工具应用
人造金刚石 可以制成各种 砂轮 、磨石、 砂布 、砂纸、研磨膏等多种形式进行磨削应用。金刚石 磨具 是磨削 钨钢 的特效工具。
作为 切削刀具 应用
金刚石聚晶 复合片或天然大 单晶 制成 车刀 、罐刀、 铣刀 、 刀等，用来精加工汽车、飞机、精密机械上的 非铁金属 零件以及塑料、陶瓷之类的非金属材料，是高速高效高精切削工具中最重要的一类 。
作为锯切工具应用
金刚石锯切工具分为两类，第一类锯切刀具主要有： 花岗石 、 大理石 、人造 铸石 、混凝土切割用的圆锯、 带锯 、绳锯等；另一类是用来 切削 贵金属及 半导体材料 、精细 陶瓷材料 的内圆 锯片 和外圆锯片 。
作为 钻探 工具应用
钻探工具包括地质、石油、煤炭、冶金等行业中的勘探和开采用的钻头、扩孔器以及 建筑工程 套钻，在这些领域中，金刚石钻头应用十分广泛 。
光学应用领域
在各种固态薄膜中，金刚石具有最大的透射光谱带， 可见光 和 红外光 在金刚石中具有很好的穿透能力，且金刚石具有很好的抗辐射能力，可以应用于 激光 窗口或其它 透镜 材料，也可以作为一种光学防护涂料。
电子学应用领域
金刚石薄膜由于具有 载流子 饱和 速率 大、击穿电压高、升电 常数 低、热导率高等优异性能，被认为是大功率、高频及恶劣环境下使用的电子元件的理想材料。它有可能制备 微波 甚至于毫米 波段 超高速 计算机 芯片，高电压高速开关及固体 功率放大器 。
珠宝领域
宝石级金刚石 主要用于做钻戒、项链、 耳环 、胸花、王冠、 权杖 等用品，以及 原石 收藏等方面。据统计，在全世界每年的珠宝贸易总额中，钻石交易额约占80%。