人(ren)造(zao)金(jin)剛石是(shi)什么 人(ren)造(zao)金(jin)剛石生產工藝

1、定義

鉆石，是(shi)珠寶中的(de)(de)(de)貴族，它(ta)(ta)通明剔透，散(san)發著清冷(leng)高(gao)(gao)(gao)貴的(de)(de)(de)光輝，頗有(you)“出淤泥而(er)(er)不(bu)(bu)染”的(de)(de)(de)氣(qi)質。鉆石亦被稱為金剛石，因(yin)為它(ta)(ta)是(shi)自然界最(zui)堅硬無比(bi)的(de)(de)(de)物質，摩氏硬度(du)10，新摩氏硬度(du)15，顯(xian)微硬度(du)10000kg/mm2，顯(xian)微硬度(du)比(bi)石英高(gao)(gao)(gao)1000倍(bei)，比(bi)剛玉(yu)高(gao)(gao)(gao)150倍(bei)。它(ta)(ta)的(de)(de)(de)形成和發現極為不(bu)(bu)易，它(ta)(ta)是(shi)碳在(zai)地(di)球深(shen)部高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)壓的(de)(de)(de)特殊(shu)條件下歷經億(yi)萬(wan)年的(de)(de)(de)“苦修(xiu)”轉(zhuan)化而(er)(er)成的(de)(de)(de)，由于地(di)殼的(de)(de)(de)運動(dong)，它(ta)(ta)們(men)從地(di)球的(de)(de)(de)深(shen)處來到地(di)表，蘊藏在(zai)金伯利巖(yan)中，從而(er)(er)被人類發現和開采。 雖然人類可以(yi)生產出人造(zao)金剛石，但質量大小(xiao)還(huan)遠遠不(bu)(bu)及天然金剛石。

人造金剛石

2、應用

人造金剛石不僅可以加工(gong)(gong)(gong)成價值連城(cheng)的(de)珠寶，在工(gong)(gong)(gong)業中(zhong)也大有可為。它(ta)硬度高、耐(nai)磨性好(hao)，可廣泛用于切削(xue)、磨削(xue)、鉆(zhan)探；由(you)于導熱(re)率(lv)高、電(dian)絕緣性好(hao)，可作為半(ban)導體裝置的(de)散(san)熱(re)板；它(ta)有優良的(de)透光性和耐(nai)腐(fu)蝕性，在電(dian)子工(gong)(gong)(gong)業中(zhong)也得到(dao)廣泛應用。

人造金剛石

1、制(zhi)造樹脂結(jie)合劑(ji)磨具(ju)或研磨用等

2、制造金(jin)屬結合劑磨(mo)具、陶瓷結合劑磨(mo)具或研磨(mo)用等

3、制造一(yi)般(ban)地層地質鉆探(tan)鉆頭(tou)、半導體及非金(jin)屬材料切割加(jia)工工具等

4、制造硬地層地質鉆(zhan)頭(tou)、修正工具及非金屬(shu)硬脆性材料加工工具等(deng)

5、樹脂、陶瓷結合(he)劑磨(mo)具或研磨(mo)等

6、金屬結合劑磨(mo)具、電鍍(du)制品。鉆探工(gong)具或研磨(mo)等

7、劇(ju)切、鉆探及修正工(gong)具等

3、發展歷史

18世紀(ji)末，人(ren)(ren)們(men)發現身價高(gao)貴的(de)金(jin)(jin)剛(gang)石竟然(ran)是(shi)碳(tan)的(de)一種同(tong)素異(yi)形(xing)體，從此，制(zhi)備人(ren)(ren)造金(jin)(jin)剛(gang)石就成為了(le)許多科學家的(de)光榮與夢想。 一個(ge)世紀(ji)以后，石墨 —— 碳(tan)的(de)另一種單質形(xing)式被發現了(le)，人(ren)(ren)們(men)便嘗試模擬(ni)自然(ran)過程，讓石墨在超高(gao)溫高(gao)壓(ya)的(de)環(huan)境下轉變(bian)成金(jin)(jin)剛(gang)石。為了(le)縮(suo)短(duan)反應時間，需要2000℃高(gao)溫和(he)5.5萬個(ge)大氣壓(ya)的(de)特(te)殊條(tiao)件。

人造金剛石

1955年(nian)，美國(guo)通用(yong)(yong)電氣公司(si)(si)專門(men)制造了(le)高溫高壓(ya)靜電設備，得到世界上第一批(pi)工(gong)(gong)業用(yong)(yong)人(ren)造金剛(gang)(gang)石小(xiao)晶體，從而開創(chuang)了(le)工(gong)(gong)業規模生產(chan)人(ren)造金剛(gang)(gang)石磨料(liao)的(de)先河(he)，他(ta)們的(de)年(nian)產(chan)量(liang)在20噸(dun)左右；不久，杜邦公司(si)(si)發明了(le)爆(bao)炸(zha)法，利用(yong)(yong)瞬(shun)時(shi)爆(bao)炸(zha)產(chan)生的(de)高壓(ya)和急劇升溫，也獲(huo)得了(le)幾毫米(mi)大(da)小(xiao)的(de)人(ren)造金剛(gang)(gang)石。

金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜的(de)性(xing)能稍(shao)遜于金(jin)剛(gang)石(shi)顆粒，在密度和硬度上(shang)(shang)都要低(di)一些。即便如(ru)此，它的(de)耐(nai)磨性(xing)也是數(shu)一數(shu)二，僅5微米厚的(de)薄(bo)膜，壽(shou)命也比硬質合金(jin)鋼長10倍(bei)以(yi)(yi)上(shang)(shang)。我們(men)知道，唱片(pian)的(de)唱針在微小的(de)接觸面上(shang)(shang)要經受極大的(de)壓力，同時要求極長的(de)耐(nai)磨壽(shou)命，只要在針尖上(shang)(shang)沉積上(shang)(shang)一層金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜，它就可以(yi)(yi)輕松上(shang)(shang)陣了。如(ru)果在塑料、玻(bo)璃的(de)外面用(yong)金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜做耐(nai)磨涂(tu)層，可以(yi)(yi)大大擴展其用(yong)途，開發性(xing)能優越又經濟的(de)產品。

更重要的(de)是，薄膜的(de)出現使(shi)金石的(de)應用(yong)突破了只能作為切(qie)削(xue)工(gong)具(ju)(ju)的(de)樊籬(li)，使(shi)其(qi)優異的(de)熱、電(dian)、聲(sheng)、光性能得以充分發(fa)揮(hui)。金剛(gang)石薄膜已應用(yong)在(zai)半導體(ti)電(dian)子裝置、光學聲(sheng)學裝置、壓(ya)力(li)加(jia)工(gong)和切(qie)削(xue)加(jia)工(gong)工(gong)具(ju)(ju)等(deng)方面，其(qi)發(fa)展速度驚人，在(zai)高(gao)科技領域更加(jia)誘(you)人。

用人工方(fang)法使非金剛(gang)石結構(gou)的碳(tan)轉(zhuan)變為(wei)金剛(gang)石結構(gou)的碳(tan)，并(bing)且通(tong)過(guo)成核和生長形成單晶和多(duo)晶金剛(gang)石，或把細粒(li)金剛(gang)石在高壓高溫下(xia)燒結成多(duo)晶金剛(gang)石。這是(shi)高壓研究(jiu)在生產上得到應用的一個重要實例(li)。

人造金剛石產品

從熱力學觀點(dian)出發，決定石(shi)墨等(deng)非金(jin)剛石(shi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳質原(yuan)料(liao)能(neng)(neng)(neng)否(fou)轉變(bian)成金(jin)剛石(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相變(bian)條件(jian)是(shi)(shi)后者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自由能(neng)(neng)(neng)必須小于(yu)(yu)(yu)(yu)前者(zhe)。這種(zhong)(zhong)相變(bian)過程(cheng)是(shi)(shi)在(zai)高壓、高溫(wen)或者(zhe)還(huan)有(you)(you)(you)其他組分(fen)(fen)參與的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力、溫(wen)度(du)和(he)(he)組元濃(nong)度(du)等(deng)可(ke)以(yi)(yi)使系統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)內能(neng)(neng)(neng)發生(sheng)(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)，從而使價電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)可(ke)處(chu)能(neng)(neng)(neng)級(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)統計權(quan)(quan)重(zhong)發生(sheng)(sheng)(sheng)相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)。這就可(ke)能(neng)(neng)(neng)出現電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)轉移和(he)(he)組成新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍵合(he)(he)狀態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)結(jie)構(gou)，即發生(sheng)(sheng)(sheng)了相變(bian)。如果系統中(zhong)能(neng)(neng)(neng)量變(bian)化(hua)有(you)(you)(you)利于(yu)(yu)(yu)(yu)在(zai)固(gu)(gu)體(ti)中(zhong)發生(sheng)(sheng)(sheng)這種(zhong)(zhong)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，則(ze)高壓高溫(wen)相變(bian)發生(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)固(gu)(gu)態(tai)(tai)，否(fou)則(ze)就可(ke)能(neng)(neng)(neng)發生(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)熔(rong)態(tai)(tai)或汽態(tai)(tai)。在(zai)熔(rong)體(ti)中(zhong)發生(sheng)(sheng)(sheng)這種(zhong)(zhong)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)是(shi)(shi)，鍵合(he)(he)特(te)征的(de)(de)(de)(de)(de)(de)價電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)統計權(quan)(quan)重(zhong)相應(ying)降低，遠程(cheng)有(you)(you)(you)序(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)趨(qu)(qu)于(yu)(yu)(yu)(yu)消失，原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)配(pei)位(wei)數發生(sheng)(sheng)(sheng)變(bian)化(hua)；而電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)處(chu)于(yu)(yu)(yu)(yu)激發態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)統計權(quan)(quan)重(zhong)趨(qu)(qu)于(yu)(yu)(yu)(yu)增大，近程(cheng)有(you)(you)(you)序(xu)作用(yong)(yong)相應(ying)增強(qiang)。氣體(ti)中(zhong)發生(sheng)(sheng)(sheng)這種(zhong)(zhong)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)是(shi)(shi)，單質原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)或化(hua)合(he)(he)物的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍵合(he)(he)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)級(ji)趨(qu)(qu)于(yu)(yu)(yu)(yu)消失，所有(you)(you)(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)轉移到單原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)或分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)(neng)級(ji)上去(qu)，這樣，電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)處(chu)于(yu)(yu)(yu)(yu)激發態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)統計權(quan)(quan)重(zhong)更為增大。因此，人造金(jin)剛石(shi)可(ke)以(yi)(yi)在(zai)固(gu)(gu)態(tai)(tai)，也可(ke)在(zai)熔(rong)態(tai)(tai)和(he)(he)汽態(tai)(tai)條件(jian)下進行，這取決于(yu)(yu)(yu)(yu)壓力、溫(wen)度(du)和(he)(he)組元濃(nong)度(du)等(deng)因素引起(qi)系統內能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)情況。從動力學觀點(dian)出發，還(huan)要求石(shi)墨等(deng)碳質原(yuan)料(liao)轉變(bian)成金(jin)剛石(shi)時(shi)(shi)具有(you)(you)(you)適當的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉變(bian)速率(lv)。在(zai)金(jin)剛石(shi)成核(he)率(lv)和(he)(he)生(sheng)(sheng)(sheng)長速率(lv)同時(shi)(shi)處(chu)于(yu)(yu)(yu)(yu)極大值時(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相變(bian)速率(lv)最大。

自18世(shi)紀(ji)證實(shi)(shi)了金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)是由純碳組成(cheng)的(de)(de)(de)以后，就開始了對人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)研究(jiu)，只是在20世(shi)紀(ji)50年代通(tong)過高壓(ya)研究(jiu)和高壓(ya)實(shi)(shi)驗技術的(de)(de)(de)進展，才獲得真正的(de)(de)(de)成(cheng)功(gong)和迅(xun)速的(de)(de)(de)發展。人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)具(ju)體方法(fa)(fa)(fa)多達十幾種(zhong)。按所(suo)用技術的(de)(de)(de)特點可歸(gui)納為靜壓(ya)、動壓(ya)和低壓(ya)等三(san)種(zhong)方法(fa)(fa)(fa)。按金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)特點可歸(gui)納為直接、熔(rong)媒(mei)和外(wai)延等三(san)類方法(fa)(fa)(fa)。圖表示碳的(de)(de)(de)壓(ya)力-溫度(du)（□-□）相(xiang)圖和三(san)種(zhong)方法(fa)(fa)(fa)人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗區(qu)。1區(qu)為直接法(fa)(fa)(fa)人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗區(qu)，2區(qu)為熔(rong)媒(mei)法(fa)(fa)(fa)人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗區(qu)，3區(qu)為外(wai)延法(fa)(fa)(fa)人造(zao)(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗區(qu)。

4、制造方法

直接法

人造金剛石(shi)(shi)或(huo)利(li)用(yong)瞬時靜態(tai)超(chao)高(gao)壓高(gao)溫(wen)技術，或(huo)動態(tai)超(chao)高(gao)壓高(gao)溫(wen)技術，或(huo)兩者的混合技術，使石(shi)(shi)墨等(deng)碳質原料從(cong)固態(tai)或(huo)熔融態(tai)直接轉變成金剛石(shi)(shi)，這(zhe)種方法得(de)到(dao)的金剛石(shi)(shi)是(shi)微米尺寸的多晶粉末。

熔媒法

人(ren)造金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)用靜態(tai)超(chao)高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和(he)(he)高溫(1100～3000°C)技術通過(guo)石(shi)(shi)(shi)墨等(deng)碳質原料和(he)(he)某(mou)些金(jin)(jin)屬（合金(jin)(jin)）反應生成(cheng)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，其(qi)典型晶(jing)態(tai)為立方體(ti)(六(liu)面體(ti))、八面體(ti)和(he)(he)六(liu)-八面體(ti)以及它(ta)們的(de)(de)過(guo)渡(du)形態(tai)。在工業上顯出重要應用價值的(de)(de)主要是靜壓熔媒(mei)法(fa)(fa)(fa)。采用這種方法(fa)(fa)(fa)得(de)到的(de)(de)磨料級人(ren)造金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)產量已(yi)超(chao)過(guo)天然金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，有待進一(yi)步解決的(de)(de)問(wen)題是增大(da)粗(cu)粒比(bi)，提(ti)高轉化率(lv)和(he)(he)改(gai)善晶(jing)體(ti)質量。目前正在實驗(yan)室中用靜壓熔媒(mei)法(fa)(fa)(fa)研究(jiu)優質大(da)顆(ke)粒單(dan)晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)形成(cheng)。加(jia)(jia)晶(jing)種外延生長法(fa)(fa)(fa)曾得(de)到重1克拉左(zuo)右的(de)(de)大(da)單(dan)晶(jing);用一(yi)般(ban)試驗(yan)技術略加(jia)(jia)改(gai)進后，曾得(de)到2～4毫米左(zuo)右的(de)(de)晶(jing)體(ti)。采用這種方法(fa)(fa)(fa)還(huan)生長和(he)(he)燒結出大(da)顆(ke)粒多(duo)晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，后者在工業上已(yi)獲得(de)一(yi)定的(de)(de)應用，其(qi)關鍵問(wen)題在于進一(yi)步提(ti)高這種多(duo)晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)抗(kang)壓強(qiang)度(du)、抗(kang)沖擊(ji)強(qiang)度(du)、耐磨性和(he)(he)耐熱(re)性等(deng)綜合性能。

外延法

人造(zao)金剛石(shi)是利(li)用熱解(jie)(jie)和電解(jie)(jie)某些含(han)碳物(wu)質時析出(chu)的碳源在金剛石(shi)晶種或(huo)某些起基底作用的物(wu)質上進行外延生長而成的。

武茲反應法

讓四氯化碳和鈉在700℃反應，生成金剛石。但是同時會生成大量的石墨(mo)。

形成機制

主要有下述幾種學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)：溶(rong)劑(ji)學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)認為所(suo)(suo)用(yong)金(jin)屬(shu)(合(he)金(jin))起著碳的(de)溶(rong)劑(ji)作(zuo)用(yong)；催化(hua)學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)則認為是(shi)(shi)一種催化(hua)劑(ji)；固相(xiang)轉變(bian)學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)則強調(diao)石(shi)墨(mo)晶體無需斷鍵解體，經過簡(jian)單形(xing)變(bian)就形(xing)成金(jin)剛(gang)石(shi)晶體。但這三(san)種典型學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)所(suo)(suo)提出(chu)模型往(wang)往(wang)同一些主要實驗現象和規律相(xiang)矛盾。因此(ci)，出(chu)現了溶(rong)劑(ji)-催化(hua)劑(ji)、催化(hua)劑(ji)-溶(rong)劑(ji)、熔（溶(rong)）劑(ji)-觸(chu)媒（簡(jian)稱為熔媒）等學(xue)(xue)說(shuo)(shuo)進一步探(tan)討(tao)(tao)所(suo)(suo)用(yong)金(jin)屬(shu)（合(he)金(jin)）的(de)作(zuo)用(yong)。總的(de)說(shuo)(shuo)來，人(ren)造金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)形(xing)成機制尚是(shi)(shi)一個仍在探(tan)討(tao)(tao)中的(de)復雜問題。

5、案例

媛石

2010年12月，日(ri)本科學家(jia)成(cheng)功合成(cheng)了世界上最堅(jian)硬的金剛(gang)石，其直徑超過1厘米，與(yu)其合作的公司稱力爭最快投產。

圓柱形(xing)的(de)“媛石”

這(zhe)種(zhong)圓(yuan)柱形的金剛石是日本愛(ai)媛大學研究人員(yuan)與(yu)住友電(dian)器工業公司合作的成果，被(bei)命(ming)名為“媛石”，取自“愛(ai)媛”。

研究(jiu)人(ren)員入船(chuan)哲男介紹說，媛(yuan)石(shi)是目(mu)前世界上(shang)最(zui)堅(jian)硬(ying)的(de)人(ren)工金(jin)剛(gang)石(shi)，比(bi)(bi)普通金(jin)剛(gang)石(shi)堅(jian)硬(ying)很多，因(yin)此可以應用(yong)于諸(zhu)多工業活(huo)動當中。“媛(yuan)石(shi)可以幫助人(ren)們(men)進(jin)一步了解在地球深處高壓高溫(wen)條件(jian)下形成的(de)碳(tan)元素單(dan)質(zhi)晶(jing)體；同時，作為一種工業用(yong)品(pin)，它的(de)壽命(ming)也比(bi)(bi)普通金(jin)剛(gang)石(shi)長好幾倍。”

6、其它相關

微波法

葉臘石(shi)模具的干燥

采用(yong)微(wei)波(bo)(bo)輥道窯(yao)與專用(yong)微(wei)波(bo)(bo)加熱工藝，對(dui)葉蠟石模具進行干燥、焙燒。與常(chang)規(gui)電加熱方式(shi)相比(bi)，可顯著提升模具的一(yi)致性及(ji)其整體(ti)品質，生(sheng)產效率提高數(shu)倍(bei)，節(jie)電30%以上。

河南某著名人造金剛石生產商應用對比表

石墨加觸媒顆粒料的焙燒還原

采用(yong)微(wei)(wei)波(bo)(bo)推(tui)板窯與微(wei)(wei)波(bo)(bo)低氫(qing)（氮氫(qing)混合氣(qi)(qi)）還原工(gong)藝，對(dui)石墨加觸媒顆粒料(liao)進行焙燒還原。與常規電加熱高純氫(qing)氣(qi)(qi)還原工(gong)藝相(xiang)比，可大幅降低還原氣(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)費用(yong)，同時消除(chu)爆炸隱患(huan)，確保安全生(sheng)產(chan)；產(chan)品(pin)一致性好，品(pin)質穩定(ding)，還原后(hou)的(de)(de)氧(yang)含量可控制在60ppm以下；實現連續化(hua)生(sheng)產(chan)，工(gong)藝周期縮短，生(sheng)產(chan)效率成倍提高，顯著節(jie)電。

河南某著名人造金剛石生產商應用對比表

人造金剛石的氧化焙燒

采用微波輥道窯與(yu)專用微波氧(yang)化工藝，對人造金剛石中(zhong)的(de)殘余石墨進行氧(yang)化焙燒。與(yu)常規酸洗工藝相比，可提升金剛石品質，提高(gao)生(sheng)產(chan)效率，顯著改善生(sheng)產(chan)環境，無污染排放。

河南某著名人造金剛石生產商應用對比表

人造金剛石成品的干燥

采(cai)用微波帶式干(gan)(gan)燥(zao)(zao)窯或干(gan)(gan)燥(zao)(zao)房進(jin)行人造金(jin)剛(gang)石的干(gan)(gan)燥(zao)(zao)。與(yu)常規電熱或燃(ran)氣干(gan)(gan)燥(zao)(zao)方(fang)式相比，干(gan)(gan)燥(zao)(zao)快(kuai)速、均(jun)勻，大(da)幅提高(gao)生產效(xiao)率，并(bing)顯著節能。

河南某著名人造金剛石生產商應用對比表

發明背景

法國化(hua)學家(jia)享利·莫(mo)瓦桑〔Ferdinand Frederic Henri Moissan， 1852－ 1907）在電鍍制取(qu)最(zui)活(huo)潑的非(fei)金屬(shu)而又毒(du)性(xing)很大的氟，以(yi)及發明高(gao)溫(wen)電爐(lu)并(bing)熔(rong)煉(lian)鎢、鈦、鉬，釩(fan)等高(gao)熔(rong)點(dian)金屬(shu)方面(mian)，做出了(le)很大的貢獻，表現了(le)艱苦卓絕(jue)的科學探索精神(shen)。成為著名的科學家(jia)。

晶瑩(ying)透明(ming)、硬度第一的金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，特別惹(re)人喜愛。如(ru)經工(gong)匠琢(zhuo)磨成鉆石(shi)(shi)(shi)，更是(shi)世(shi)間奇(qi)珍異(yi)寶，人類雖然(ran)在五(wu)千年前就從自然(ran)界(jie)獲(huo)取了(le)(le)(le)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，但一直(zhi)不(bu)知(zhi)道它是(shi)由什么(me)元素構成的。直(zhi)到1704年，英國科(ke)學家(jia)牛(niu)頓才(cai)證明(ming)了(le)(le)(le)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)具(ju)有可燃(ran)性。以(yi)(yi)后(hou)又經法國科(ke)學家(jia)拉瓦(wa)錫（1792年）、英國科(ke)學家(jia)騰南脫（1797年），用實驗證明(ming)了(le)(le)(le)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)和石(shi)(shi)(shi)墨(mo)是(shi)碳的同素異(yi)形體，這才(cai)弄清(qing)楚金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)是(shi)由純凈的碳組成的。1799年，法國化(hua)學家(jia)摩爾沃(wo)把一顆金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)轉(zhuan)變(bian)為石(shi)(shi)(shi)墨(mo)。這激發(fa)了(le)(le)(le)人們的逆向思(si)維，能不(bu)能把石(shi)(shi)(shi)墨(mo)轉(zhuan)化(hua)成金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)呢？自此以(yi)(yi)后(hou)，人們對于怎樣把石(shi)(shi)(shi)墨(mo)轉(zhuan)化(hua)為金(jin)剛(gang)(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，表現(xian)了(le)(le)(le)極(ji)大(da)的興趣。

誰能獲得這致人巨富的“點石成金”之術呢(ni)？

莫瓦桑利用自己發明的高溫電爐制取了碳化硅和碳化鈣，這促使他向極富誘惑力的“點石成金”術躍躍一試，他先試驗制取氟碳化合物，再除去氟制取金剛石。沒有成功，后來他設想利用他的高溫電爐，把鐵化成鐵水，再把碳投入熔融的鐵水中，然后把滲有碳的熔融鐵倒人冷水中，借助鐵的急劇冷卻收縮時所產生的壓力，迫使內中的碳原子能有序地排列成正四面體的大晶體。最后用稀酸溶去鐵，就可拿到金剛石晶體。這個設想在當時看來，既科學又美妙。促使他和他的助手一次又一次的按這個構想方案做試驗。1893年2月6日，他終于看到了他夢寐以求的“希望之星”。當他和助手用酸溶去鐵后，在石墨殘留物中，竟有口顆0.7mm的晶體閃閃發光！經檢測這顆晶體真是金剛石。
“人造金剛(gang)石成(cheng)功了！”欣喜若(ruo)狂的莫(mo)瓦(wa)桑一再向(xiang)報界(jie)宣傳(chuan)他的重大科研成(cheng)果。這使本來因研制氟和高溫電(dian)爐而著名的莫(mo)瓦(wa)桑，更加 名噪(zao)一時。

1906年(nian)評選諾(nuo)貝(bei)(bei)爾化學(xue)獎(jiang)時(shi)，極富(fu)盛名(ming)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)莫(mo)(mo)瓦(wa)(wa)桑(sang)(sang)成(cheng)(cheng)了候選人。而(er)另一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)候選人便是以(yi)發現元(yuan)素同(tong)期律，并(bing)排布(bu)元(yuan)素周(zhou)期表(biao)，預言與指導(dao)發現新(xin)元(yuan)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)俄羅斯科學(xue)家門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)。當(dang)時(shi)瑞典科學(xue)院化學(xue)分部(bu)投(tou)票(piao)表(biao)決(jue)時(shi)，10名(ming)委員中有5名(ming)投(tou)莫(mo)(mo)瓦(wa)(wa)桑(sang)(sang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)票(piao)，4票(piao)贊成(cheng)(cheng)門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)， l票(piao)棄(qi)權。結果莫(mo)(mo)瓦(wa)(wa)桑(sang)(sang)以(yi)一(yi)(yi)(yi)票(piao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優勢而(er)獲獎(jiang)。雖然，莫(mo)(mo)氏(shi)確有重(zhong)大科研成(cheng)(cheng)果。但是，相(xiang)對于(yu)做出(chu)時(shi)代里(li)程(cheng)碑(bei)式貢獻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)來(lai)說，一(yi)(yi)(yi)為(wei)個(ge)(ge)別的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，一(yi)(yi)(yi)為(wei)全(quan)局性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)；一(yi)(yi)(yi)為(wei)重(zhong)大成(cheng)(cheng)果，一(yi)(yi)(yi)為(wei)恩格斯所贊譽的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“完成(cheng)(cheng)了科學(xue)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)勛業(ye)，這(zhe)個(ge)(ge)勛業(ye)可以(yi)和勒維烈計算(suan)尚(shang)未知道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)行(xing)星海王星的(de)(de)(de)(de)(de)(de)軌(gui)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)勛業(ye)相(xiang)媲美。”當(dang)年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)諾(nuo)貝(bei)(bei)爾化學(xue)獎(jiang)頒發給(gei)門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)，應是歷史的(de)(de)(de)(de)(de)(de)必然!可是卻(que)給(gei)予了名(ming)噪(zao)歐洲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)莫(mo)(mo)瓦(wa)(wa)桑(sang)(sang)。1907年(nian)門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)和莫(mo)(mo)瓦(wa)(wa)桑(sang)(sang)都相(xiang)繼逝世了。可是門(men)捷(jie)(jie)列夫(fu)(fu)卻(que)失掉了再被評選的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可能，這(zhe)不能不說諾(nuo)貝(bei)(bei)爾頒獎(jiang)歷史上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)大遺憾(han)！

話又得說回來。1906年瑞典(dian)諾貝爾(er)基(ji)金會宣布，把相當(dang)于(yu)10萬法郎的(de)獎(jiang)金授給莫瓦桑(sang)，是“為了(le)表(biao)彰(zhang)他(ta)在制備元(yuan)素氟方面所做出的(de)杰(jie)出貢獻，表(biao)彰(zhang)他(ta)發明了(le)莫氏(shi)電爐，”證書上(shang)只字(zi)未提人(ren)(ren)造(zao)金剛(gang)石的(de)事，但莫瓦桑(sang)在領獎(jiang)致答詞時，卻一再強(qiang)調他(ta)合成人(ren)(ren)造(zao)金剛(gang)石的(de)創舉(ju)。

成功(gong)的(de)(de)科學實(shi)驗的(de)(de)第(di)一(yi)特征(zheng)是可重現性。 然而，莫瓦桑(sang)“成功(gong)”的(de)(de)人(ren)造金剛石試(shi)驗，卻只(zhi)做(zuo)了(le)一(yi)次，他本人(ren)再也沒做(zuo)第(di)二次，卻浸沉在“成功(gong)“的(de)(de)盛名(ming)之中。

由于(yu)(yu)金(jin)剛石(shi)具有(you)巨大的(de)商業利潤(run)和(he)工(gong)業價值，不(bu)少的(de)公司、企業集團紛紛組織科(ke)學家重(zhong)　復(fu)莫氏(shi)的(de)合成金(jin)剛石(shi)試驗(yan)(yan)(yan)，希(xi)望把科(ke)研成果轉化為工(gong)業生產，但卻沒(mei)有(you)一個(ge)成功。這就(jiu)迫使一些人(ren)(ren)直接登門找莫瓦桑遺(yi)孀了解莫氏(shi)的(de)試驗(yan)(yan)(yan)情況。經查明，那次(ci)成功的(de)人(ren)(ren)造金(jin)剛石(shi)試驗(yan)(yan)(yan)，是(shi)(shi)由于(yu)(yu)莫氏(shi)生前的(de)助手對(dui)反復(fu)無休止的(de)試驗(yan)(yan)(yan)感到厭煩，但又無法勸阻他(ta)不(bu)再(zai)做了，迫于(yu)(yu)無奈便俏俏的(de)把實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室中(zhong)的(de)一顆(ke)(ke)天然金(jin)剛石(shi)混跡(ji)到實(shi)驗(yan)(yan)(yan)中(zhong)去，這便是(shi)(shi)那顆(ke)(ke)被譽為“攝政(zheng)王”的(de)真面目了。到頭來，莫瓦桑的(de)人(ren)(ren)造金(jin)剛石(shi)，仍然是(shi)(shi)“希(xi)望之(zhi)星(xing)”，對(dui)這件(jian)事，當然不(bu)能說莫氏(shi)有(you)意作偽騙人(ren)(ren)，但是(shi)(shi)，莫氏(shi)沒(mei)有(you)重(zhong)復(fu)的(de)做出成功的(de)第二次(ci)、第三次(ci)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)，卻律津樂道，陶醉于(yu)(yu)盛名(ming)，卻不(bu)能不(bu)說是(shi)(shi)科(ke)學家不(bu)應有(you)的(de)過失。

實事求是他說，在那(nei)個時代(dai)，人造(zao)金剛(gang)石只能是“希(xi)望之星”。

從基礎理論方面來說，對于現今高中化學 課本上所闡明的金剛石的正四面體晶體結構，和石墨的層狀結構，是19l0～l920年間由于發展了X射線衍射技術后才有所認識的。使石墨轉變為金剛石，不單純是用外力縮短石墨層與層之間的距離，使六角形碳環轉變為正四面體晶格。實際上還包含許多復雜因素。化學家首要考慮的是熱力學問題。借助熱力學可判斷石墨－金剛石轉變過程中的方向和限度。在一定溫度和壓力下，熱力學常用產物和作用物之間的自由焓改變的正或負，來判別一個反應自動進行的方向。自由焓大的狀態相對于自由焓小的狀態，是一個不穩定態，因此自由焓大的狀態總是向小的方向自動進行．計算在25℃、1大氣壓下石墨轉變為金剛石的自由焓變化DG=G金剛石-G石墨=+692卡/摩。此即表明金剛石的自由焓大于石墨，那么，要在25℃、1大氣壓下，使石墨轉變為金剛石是不可能的，需要何種外界條件才能實現轉化呢？這一直到1938年，洛錫涅等將熱力學的理論計算用于石墨－金剛石的轉化過程，才有了答案。以后又經皮爾曼等計算了在1200K以下石墨－金剛石的平衡態，并繪制了平衡曲線。從而可知在常溫298K，要實現石墨轉化為金剛石，需130000大氣壓以上。如果升高溫度，如在1200K，要實現轉化，需40000大氣壓以上。于是可知莫瓦桑的試驗，雖然提供了高溫，而用鐵水急劇冷卻收縮所獲得的壓力，頂多只有幾千個大氣壓，怎么可能實現轉化呢？
熱力(li)學(xue)只能判(pan)斷反應(ying)(ying)進行的(de)(de)可能性，要使可能性變為現實性，化學(xue)家還需考慮動力(li)學(xue)問題(ti)。如(ru)在室溫(wen)(wen)和40萬(wan)個大氣壓(ya)下(xia)，石墨的(de)(de)轉化速(su)度(du)(du)緩慢到難以(yi)察覺。因(yin)此(ci)速(su)度(du)(du)問題(ti)。愛林等(deng)根據反應(ying)(ying)速(su)度(du)(du)理論(lun)推導得出(chu)了(le)轉化過程中溫(wen)(wen)度(du)(du)和壓(ya)力(li)對轉變速(su)度(du)(du)的(de)(de)關系式。于(yu)是可知增壓(ya)是降低反應(ying)(ying)速(su)度(du)(du)的(de)(de)，而(er)高溫(wen)(wen)自然是提高反應(ying)(ying)速(su)度(du)(du)的(de)(de)。

綜(zong)合起(qi)來(lai)(lai)(lai)看(kan)，由熱(re)力(li)學來(lai)(lai)(lai)看(kan)，高(gao)(gao)溫(wen)(wen)不利于(yu)金(jin)剛(gang)石(shi)的熱(re)力(li)學穩定性，要使(shi)金(jin)剛(gang)石(shi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)下(xia)仍具有熱(re)力(li)學穩定性，必(bi)須相應地(di)高(gao)(gao)壓(ya)。而從動(dong)力(li)學來(lai)(lai)(lai)看(kan)，力(li)求高(gao)(gao)溫(wen)(wen)才(cai)有利于(yu)反(fan)應速(su)度(du)，高(gao)(gao)壓(ya)反(fan)而減速(su)。因(yin)此(ci)(ci)，尋求適(shi)宜的轉化條件，應是兼(jian)顧(gu)二(er)者，使(shi)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)與高(gao)(gao)壓(ya)匹(pi)配。此(ci)(ci)外(wai)還需特定的溶劑(ji)(ji)，使(shi)石(shi)墨晶(jing)格(ge)中的碳原子(zi)(zi)先溶解，然后(hou)在(zai)(zai)變更(geng)外(wai)界條件下(xia)，再使(shi)碳原子(zi)(zi)從溶劑(ji)(ji)中析出結晶(jing)形成正四面體晶(jing)格(ge)。已經知道硫化亞鐵、鐵以及一些過(guo)渡金(jin)屬可做(zuo)溶劑(ji)(ji)。

從實(shi)驗(yan)條件方面來說，必須提(ti)供(gong)能夠產生(sheng)高(gao)壓的裝置和耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)高(gao)壓的設備(bei)。1946年，諾貝爾獎(jiang)頒給美國(guo)科學家布(bu)里奇曼教授，原因是他發明了(le)達到極高(gao)壓力(li)的裝置，以及(ji)在高(gao)壓物理領(ling)域(yu)內所(suo)作出的一些重要發現。至此(ci)，人造金剛石(shi)才具(ju)備(bei)了(le)可能性。

1955年(nian)，美國科學家(jia)霍爾等在1650℃和95000個大氣壓下，合成(cheng)(cheng)了(le)金剛石(shi)。并在類似的(de)條件(jian)下重復多次亦獲(huo)成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)，產(chan)品經各種物(wu)理(li)的(de)、化學的(de)檢測，確證為金剛石(shi)。這是(shi)人類歷史上(shang)第一次合成(cheng)(cheng)人造金剛石(shi)成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)，然而，這已是(shi)莫(mo)瓦(wa)桑宣(xuan)稱“成(cheng)(cheng)功(gong)(gong)”的(de)62年(nian)以(yi)后(hou)，莫(mo)氏逝世近(jin)半個世紀以(yi)后(hou)的(de)事了(le)。