金刚石调研报告

1金刚石调研报告金刚石俗称“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，有天然和人造两类。碳可以在高温、高压下形成金刚石。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。金刚石仅产出于金伯利岩筒中。金伯利岩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。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。一、金刚石物理、化学性质1.化学成分：C。常含有Cr、Mn、Ti、Mg、Al、Ca、Si、N、B等。2.颜色：常见的为浅黄色、浅黄褐色、浅黄绿色、褐色，无色(浅黄白、白、优白)占有一定数量，玫瑰色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、茶色十分稀少。3.透明度：无色及浅色金刚石均成透明状，在无色中的白、优白金刚石测定透过率达95%以上，深色金刚石及具毛玻璃蚀象的透明度减弱呈现半透明状，当金刚石中包体含量增加亦影响透明度。4.硬度：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。5.密度：金刚石密度与金刚石晶体中的包含物密切相关，无色透明质纯的金刚石密度为3.52g/cm3，当具有包含物时密度为3.44~3.53g/cm3。26.偏光性：绝大多数金刚石在偏光下显示非均性，金刚石属等轴晶系矿物，理论上应为均质性，但由金刚石形成于压力变化的地质体中，由于应力作用使金刚石晶体内结构产生局部错位，因而显示不均匀的非均质性，表现在消光上的不一致性，干涉色很低的一级灰色，极少数还可测得一轴晶干涉图像。7.折射率(N)：2.4493(λ436μm)、2.4354(λ486μm)、2.4237(λ546μm)、2.4176(λ589μm)、2.4103(λ656μm)。8.反射率(R)：油浸下5.308%，空气中17.29%。9.亲油疏水性：金刚石是一种亲油疏水性矿物，在晶体表面擦上油质后可见晕色，在晶面上滴上油珠立即扩散，而滴上水珠则不扩散，因此在选矿中利用油选可将金刚石分离出来。10.电磁性：金刚石为无磁性重部分矿物(p2.9)因此在选矿中不能采用电磁选(中磁性、弱磁性)方法。11.导电性：绝大多数金刚石是电介质，电阻率：5×104Ω.cm，Ⅰ型及Ⅱ型(Ⅱa)金刚石为绝缘体，比电阻1016Ω.cm，I型(Hb)金刚石为P型半导体，比电阻10~103Ω.cm，温度上升到600℃或下降到-150℃时，电阻提高。12.刚度、强度：金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小，有极高的抗磨能力，因此在金刚石选矿中利用这一特性，采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。13.熔点：金刚石熔点达4000℃，在空气中燃烧温度为850~1000℃，在纯氧中720~800℃燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。14.发光性：在X射线下金刚石产生天蓝色、浅绿色荧光，在长波、短波紫外线下产生浅黄、天蓝荧光，但有相当一部分不发光。有的在日光下曝晒后发浅蓝色磷光。阴极射线下显蓝、绿荧光。15.光泽：属标准金刚光泽，由于熔蚀作用及毛玻璃蚀象等可出现油脂光泽或光泽减弱。16.色散：金刚石色散为0.044。在自然光的照射下，具备一定的入射角度在钻石表面产生分解的光谱色，俗称火彩(影响钻石火彩强弱还与体色、净度、刻面角度等有关)。317.热导性：金刚石热导性好，热导率高达669.89~2009.66W/(m•℃)，其中Ⅱ型(Ⅱa)金刚石热导性极好，在液氮温度下为铜的2.5倍，在室温下为铜的5倍。18.热膨胀：热膨胀系数小。19.解理：|111|中等，|110|不完全。20.断口：见壳状。21.化学稳定性：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、碳酸钠中溶解。二、金刚石的用途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制造钻探用的探头和磨削工具，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，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品。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。钻石分为一型和二型两种，这主要是根据它是否含有N元素：一型含；二型不含。而蓝色的钻石是二B型的，是半导体。Ⅱ型金刚石所具有的优异的光学、热学、电学性能，在光学、电子、原子能、空间技术、高能物理及医学等多种领域中起到不可取代的作用，特别在高新精尖技术领域得到愈益深入的研究和广泛的应用。例如：利用其导热性，制做超级热沉材料；利用其透光性，制作各种窗口材料，如作高功率激光器窗口、红外探测器滤光片；利用其光导性，用于核工业、自动化技术及医学；利用其半导体性能，作高功能半导体材料等。总之，更深层次地研究和发挥Ⅱ型金刚石的特殊性能与作用，将更有助于促进国家经济的发展，更大地造福于人类。三、人造金刚石制作工艺41.直接法：人造金刚石或利用瞬时静态超高压高温技术，或动态超高压高温技术，或两者的混合技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石，这种方法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。2.熔媒法：人造金刚石用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa)和高温(1100～3000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石，有待进一步解决的问题是增大粗粒比，提高转化率和改善晶体质量。目前正在实验室中用静压熔媒法研究优质大颗粒单晶金刚石的形成。加晶种外延生长法曾得到重1克拉左右的大单晶;用一般试验技术略加改进后，曾得到2～4毫米左右的晶体。采用这种方法还生长和烧结出大颗粒多晶金刚石，后者在工业上已获得一定的应用，其关键问题在于进一步提高这种多晶金刚石的抗压强度、抗冲击强度、耐磨性和耐热性等综合性能。3.外延法：人造金刚石是利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。（1）现有的人造钻石一般采用石墨制作，因为在化学上，石墨和钻石是同素异形体，原子构成相同而原子间结构不同。石墨合成钻石技术有两种，一种是HTHP法，即高温高压法，模拟地球内部环境制造钻石，将石墨施予高温高压，使其变成钻石。另一种是CVD法，即化学气相蒸镀法，模拟在外的太空的真空环境中，让碳原子一颗一颗沉积下来直接变成大颗钻石。将石墨合成钻石的解决思路也就是人造钻石的基本思路。那么，含碳的物质都可制作成钻石，碳的来源随处可得，比如空气中的二氧化碳直接还原出来就是碳，木材，煤炭等材料也含碳。所以制造钻石的材料可以说是无穷无尽的。当然，因材料不同，需要客服的技术难题也就各不相同。5石墨结构对金刚石合成的影响人们对金刚石合成用石墨结构的评价给予极大关注，但至今对这个问题仍没有一个统一的认识。某些研究者断言，石墨化程度较高的石墨对合成金刚石的质量有非常好的影响。有的认为。碳素材料的各向异性对金刚石合成有影响；有的认为，金刚石产量与合成前碳素材料结构的有序性有关，并随碳素材料层厚度增加而增加。石墨化温度为3000K时所获得的人造石墨广泛用于金刚石合成。由于更高强度的金刚石（晶体尺寸600—200μm）生长强度小，而采用结构有序的细的石墨是比较合适的。反之，为了获得脆性金刚石，则采用完整程度高的石墨，在此情况下，它们含有大量的结晶中心。因此，采用结构高度有序的碳素材料来合成金刚石不一定总是正确的，而应该是按合成金刚石的性质和尺寸来选择石墨的牌号。（2）用骨灰制造人造钻石的工艺，在强压和强热的条件下，将从火化后的人体中提取的碳元素与细小的水晶和包括硼和氮在内的矿物质混合，最终制成具有纪念意义的“遗体钻石”；人们更容易给这种钻石附加自己特殊的情感。（3）以下是一种以头发为原料的人造钻石制造工艺步骤将头发进行高温碳化处理提取碳将碳在高温高压下成型金刚石将金刚石打磨成钻石镶嵌具体实施方法：步骤一：将头发进行高温碳化处理提取碳，天然钻石的成分是碳元素，而头发的组成中碳元素也占很大的比重，从二者这个共同点入手，先将头发有机物裂解，从中提取出碳元素。每一跟头发约可以提取0.1-1.0毫克碳。温度为2000℃以上。步骤二：将碳在高温高压下成型金刚石。将步骤1中提取的碳真空干燥后放入六面顶机，六面顶机为一种用于人工合成金刚石等超硬材料的专用设备，在类似地壳模拟环境的高温高压下对碳进行压缩结晶，根据所需克拉数的不同，采用不同量的碳在六面顶机得高温高压环境下成型金刚石（琢磨后成为钻石），本步6骤的温度在2000以上，压力为2000以上个标准大气压，所采用的六面顶机得压力、温度可控，能保证腔体内压力、温度的稳定，可获得预期的人造金刚石产品。步骤三：将金刚石打磨成钻石。将高温高压结晶后的金刚石经过几次打磨就得到人工钻石，这种钻石属于单晶体，其物理与化学性能检测均与天然钻石无异。步骤四：镶嵌。良好的镶嵌工艺有助于改善钻石的缺憾，表现钻饰最璀璨动人的一面，现有的镶嵌工艺主要是爪镶、包镶、夹镶、迫镶、轨道镶、钉镶等，根据钻石的大小和款式而定。此制作工艺成本低，方便取得，其次用头发制作而成的钻石虽然是人工制造，然而，它和自然形成的钻石一样，具有同样的光学、物理和化学性质，再次，人的头发像指纹一样，每个人都不尽相同，用头发合成出的钻石的色彩因为头发中的微量元素含量不同而存在微妙的变化，使得每一颗用头发制作的钻石的光学特性各不相同。因此，这种人工钻石具有特定的人的特定的生命特征，具有特殊的收藏价值。四、人造金刚石微粉的生产及其发展趋势金刚石微粉是当今国际上一种超硬精细研磨抛光材料。就其粒度而言它属于微米、亚微米及纳米粉体。与粗粒粉体相比，其比表面积和比表面官能团明显增大，因而在生产过程中，颗粒相互之间的作用力大为增加。另外，随着粒度的细化，颗粒本身的缺陷减少，强度必然增大。由此可见，金刚石微粉的生产过程存在相当大的难度，它不仅仅是颗粒细化的过程，同时还伴随着晶体结构和表面物理化学性质等变化。所以说金刚石微粉的生产工艺是一个涉及机械、粉体工程、力学、物理化学、现代仪器与测试技术等多学科的工程技术问题。随着尖端科技和高端制造业发展的需要，许多精密器件的表面光洁度都要求很高，比如电脑磁盘、磁头、光通信器件、光学晶体、半导体基片等器件，都需要精密的抛光加工，如果表面有任何超出许可范围的凸凹、划伤或者附着异物，所设计的精度及性能将得不到保证。所以,金刚石微粉的生产出现以下发展趋势：1.金刚石微粉生产设备的自动化金刚石微粉是由粗颗粒单晶金刚石经过破碎、分级而得。一般来说，将适度粗粒的物料破碎至微米或亚微米粒度有三种基本机理，即压碎，机械冲击{高速(9m／see以上)运动颗粒之间的直接碰撞和研磨，滚筒式球磨机就是以压碎作用7为主兼有适量低速机械冲击作用的破碎设备。就方法