金刚石的密度

352g/立方厘米。金刚石的密度为352g/立方厘米，折射率为2417，色散率为0044。金刚石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。

金刚石的几种特性金刚石是自然元素类矿物的典型代表，化学成分是碳。金刚石是自然界最硬的物质，硬度10，绝对硬度为石英的1000倍，刚玉的150倍。承压力最大，平均每平方毫米可承受10吨压力。抗磨性最强，但性脆，不耐摔打。金刚石有较强的折光率，呈标准的金刚光泽，经白光照射，立即可被分散成明亮刺眼的单色光折射出来；金刚石有稳定的化学性质，耐强酸强碱腐蚀，熔点较高；金刚石，白天经曝光照射后，晚上能自动发光，历来被称为“夜明珠”。 钻石的颜色钻石的颜色对它质量的评价有极大的影响。由于无色中带“黄”是最常见的减等色素，故目前鉴别钻石的颜色等级（简称色级）时，就以含**素的多少来分颜色等级（简称色级）时，就以含**素的多少来分颜色等级。色级以百分区别。100色亦称“十足色”，就是纯正的“净水钻”；95色以上都是仅有极微的**，在不与纯正钻石相比的情况下，外行人看不出**；90色-95色之间亦仅带极微的**，略可感觉到色素存在；85色指有较明显的淡**；80色指有明显的淡**；75色指有显著**。75色以下的钻石，一般就很少作装饰物了。有些特殊颜色的钻石，如纯正的艳红，称为“红钻”，艳紫色称为“紫钻”，深蓝称为“蓝钻”，鲜绿称为“绿钻”，蛋黄或深（金）黄称为“金钻”，乌黑称为“黑钻”等等，这些都是极难得的珍品。 两类金刚石矿床 1、原生金刚石矿床：此类矿床都产在金铂利岩中。金铂利岩是一种碱质超基性火山颈岩石，斑状结构。岩石的主要矿物成分镁橄榄石、普通辉石、黑云母、钛铁矿、磷灰石、镁铝榴石、黑色镁钛铁矿铬透辉石，及部分后期热液或自变质次生矿物，伴生斑晶主要为橄榄石、金云母、石榴石钛铁矿等。金刚石以八面体积和菱形十二面体最常见。 2、砂矿金刚石矿床：是指含刚石的金铂利岩经过风化剥蚀而成的残（坡）积砂矿、冲积（河成）砂矿、海成砂矿、冰川漂砾砂矿等。其中以河成冲积砂矿最为重要。如非洲许多国家和我国的湖南、山东、江苏、辽宁等现代河流水系和古河谷阶地中都有重要的金刚石砂矿。 金刚石的重量分级和价格金刚石按每颗不同重量来分级。一般把001-024克拉的钻石，叫小钻；把025-099克拉的钻石，中中钻；大于1克拉的钻石叫大钻。大于100克拉的称特大钻石。在国际市场上，不同重量的钻石，每克拉的价格是不同的，钻石愈大价格愈高。一般的计算公式是： N（钻石价格）=M/2×（M+2）×K 式中M为钻石重量（克拉）；K为一克拉的市价基数。但是，现在世界市场上钻石的定价完全操纵在钻石托拉斯手中，近年来，他们常用的公式是： N（钻石价格）=M2×K 这样，不同重量的钻石，价格差距就大多了。 金刚石产地的变迁 在十八世纪四十年代以前，金刚石的产地主要是印度。曾在这里采到不少世界著名的大特大金刚石。如“莫卧大帝”重793克拉、“皮特”重410克拉等。以后金刚石的产地开始转移到巴西，这里也采到不少世界著名的特大金刚石。如“瓦尔加斯总统”重7266克位、“巴西黑钻”重350克拉等。到1867年，南非发现了更为丰富的金刚石和产金刚石的金伯利岩，采到了更多更好的特大金刚石。如1893年采到的“高贵无比”重9952克拉、1905年采到世界最大的“库里南”重3106克拉，1934年采到的“琼格尔”重726克拉等。 我国的五颗特大金刚石第一颗，镶嵌在西藏日喀则扎什伦布寺内弥勒佛的眉宇间，重约390克拉，正面看足有核桃大。第二颗，是1937年深秋山东郯城罗甸邦老人拣到的，重28125克拉，，形似淡**小雏鸡，故起名“金鸡”。1938年12月21日，被日本侵略军抢走，至今下落不明。第三颗，是1977年12月21日，山东临沭县常林村魏振芳姑娘在地里拣到的，取名“常林钻石”，呈八面体和和菱形十二面体的聚形，透明，微淡**，重15879克拉。第四颗，是1981年8月15日山东郯城陈埠一位农民拣到的，取名“陈埠一号”，重12427克拉。第五颗，是1983年11月14日山东蒙阴金刚石矿一个姓张的临时工在大块矿石上发现的，重11901克拉。 我国发现最早的金刚石戒指我国南京博物馆人员在象山的西晋贵族墓群七号墓中，挖掘出一个金刚石戒指，推测为公元265-316年间的殉葬品，至今已有一千七百多年的历史，为目前我国发现最早的金刚石戒指。这颗金刚石，为八面体晶形，直径一毫米以上。戒指扁圆形，直径为二点二厘米，平素无花纹，上有方形斗状孔长、宽各四毫米。现存于南京博物馆中。 金刚石的晶体形态金刚石，等轴晶系，晶体形态常为八面体、菱形十二面体、立方体及“类球形”的凸八面体、凸十二面体、凸立方体和各种聚形，偶尔见到四面体。“类球形”晶体的形成，一般被认为是晶体成长发育过程中，由于物理化学条件的不稳定，导致已晶出的个体外部，重新软化，使其晶棱、隅角部位溶蚀所造成。近年来在我国辽宁大连金刚石矿里，陆续发现七颗宝石级极为罕见的四面体金刚石，其中一颗有黄豆大小，重144克拉，无色透明，晶体完整，填补了我国四面体金刚石的空白。 世界最大的金刚石——“库利南” 它是1905年1月在南非的普列米尔金刚石矿采场上被发现的。这块宝石后来用矿主的名字取名为“库利南”。它是一个大晶体的解理块，并非完整晶体。颜色是带纯净淡蓝色的“水火色”，质地极佳。重量为3106克拉，差不多有一个拳头那么大。此宝石后来由当时的南非当局献给英王爱德华三世。其后由荷兰阿姆斯特丹的著名工匠加工，制得九颗大钻石。最大的叫作“非洲之星”，重5302克拉，安在英王权杖正中。“库利南第二”重3174克拉，镶在王冠上。这九颗大钻石和其余96颗小钻全为英皇室占有。 “莱索托布朗”特大金刚石 这个重60125克拉的“莱索托布朗”特大金刚石，是一个名叫欧内斯廷的妇女1967年于非洲南部的莱索托发现的。政府派三位专家保护她安全拍卖这颗特大金刚石，先是被比利时矿物收藏家尤金·塞拉菲尼以21636万美元买去。政府只给这个妇女3241万美元；几个月后尤金·塞拉菲尼又以买价的两倍价转手卖给了美国钻石商哈里·温斯顿。1967年12月哈里·温斯顿为庆贺买到这颗特大金刚石而举行招待会，并特邀了发现这颗特大金刚石的欧内斯廷及她的丈夫到美国参加这个招待会。1968年对这颗特大金刚石估价为100万美元，然后加工成为一些精美的钻石。 “光山”和“光海”金刚石 “光山”和“光海”金刚石，也是重400克拉左右、居世界第十位的特大金刚石。 “光山”和“光海”的原石，于17世纪初在印度南部下古生代地层风化的残坡积砂矿中找到，为蓝绿色。据记载，最初被用作神像的眼珠，后来被磨石两颗稀世珍宝的大宝石“光山”和“光海”，一起镶嵌在印度王的宝座上。再后，“光海”被辗转盗卖，于1773年由沙皇叶卡捷琳娜二世的情夫奥尔格夫买来送给了沙皇，从此改名为“奥尔洛夫”，装饰在沙皇的王笏上。经按新式样翻修重琢，由1948克拉减到168克拉。“光山”在印度被英国统治者劫走，后被分为大小两颗钻石，大的重106克拉，为英皇室所有，另一颗存放在“不列颠博物馆”中。 “摄政王”特大金刚石 “摄政王”又名“皮特”，是世界第十位的特大金刚石，重400克拉，它是1701年印度的一名奴隶在矿区找到的。他把自己的腿割破，将这颗金刚石藏在绷带里，带伤逃出矿区，托一名水手为其出售，却被这个水手图财伤害了。水手把它卖给了当时的英国驻印度总督，后经工匠琢磨成一颗重1366克拉的漂亮钻石，转卖给法国的摄政王，取名“摄政王”，现藏于法国国家博物馆里

(一)金刚石性能

1金刚石的力学性质

(1)硬度高

金刚石是世界上已发现矿物中硬度最高的矿物。它的莫氏硬度为10级,其研磨硬度为刚玉(莫氏硬度9级)的150倍,为石英(莫氏硬度7级)的1000倍,是硬合金的6倍,为碳化硅和碳化硼的2～3倍。

金刚石晶面硬度与其结晶体形态有关,八面体的大于十二面体的,十二面体的大于六面的,而且金刚石的晶体硬度还具有各向异性,八面体不同方向上硬度相差不大,十二面体中平行于晶面棱边的硬度最小,六面体中垂直于晶面棱边的硬度最小,而它们对角线方向上硬度最大。因此,在加工表镶钻头时要注意这种方向性。正确利用金刚石各向异性特性,可提高钻头寿命50%～60%。

(2)抗压强度大

金刚石具有极大的抗静压强度(简称强度)。强度的大小取决于金刚石晶体的形态、晶体的完好程度、杂质的成分和含量、晶体的组织结构等。一般浑圆状的、结构完好的金刚石强度大。天然金刚石的抗压强度高达8600MPa,为刚玉的35倍,硬质合金的15倍,钢的9倍。人造金刚石的强度目前还低于天然金刚石:用于钻探的人造金刚石强度一般要求在2500MPa以上,即60#单晶单颗粒抗压强度在85N以上。

硬度高、强度大是金刚石的独特性能之一。但它的脆性也大,受到冲击载荷易产生裂隙甚至破碎,其动压强度不及静压强度的四分之一。因此,在金刚石钻进中要避免冲破击碰撞,采取有效的减振、防振措施。

(3)耐磨性好

金刚石具有极高的耐磨性。在空气中它与金属的摩擦系数小于01。金刚石的耐磨性是刚玉的90倍,是硬质合金的40～200倍,是钢的2000～5000倍,这就决定了金刚石钻头耐磨的特性。金刚石的耐磨性和硬度一样,也具有各向异性,使用时要注意不同晶面及同一晶面不同方向上的耐磨性是不同的。

2金刚石的物理性质

(1)颜色

纯净的金刚石应是无色透明的。天然金刚石由于含有微量杂质元素,使之呈现出各种颜色。常见的有浅**、浅棕色、浅绿色、玫瑰色和深棕色等。金刚石一般以色浅,透明度高的质量好。

(2)密度

金刚石的密度在327～356g/cm3之间,计算值取352g/cm3,它取决于金刚石晶体、杂质、包裹体、裂隙等。

(3)电磁性

金刚石一般是电的不良导体,但随温度升高,导电率有所增加。但含有少量硼的金刚石(呈天蓝色)其电阻率较低,是良好的半导体材料。

(4)导热性和热膨胀性

金刚石具有良好的导热性,金刚石的导热率是硬质合金的7倍,钻头胎体的5倍,一般岩石的10倍以上。这在钻孔中有足够冲洗液的冲洗条件下,对冷却钻头十分有利。

金刚石的热膨胀性,随温度变化而不同。低温时,热膨胀系数很低,有利于钻头的镶嵌;随着温度升高,热膨胀系数剧增。

3金刚石的化学性质

(1)耐酸碱性

金刚石有很强的耐酸性,常温时不与酸起化学反应,与碱起缓慢作用。因此,可利用强酸来腐蚀废旧钻头,回收金刚石。只有在沸腾温度下,某些强酸(如硝酸、氢氟酸)对金刚石才有明显的腐蚀作用。

(2)亲油疏水性

金刚石是碳的结晶体,是非极性矿物,其表面有很强的亲油疏水性,能吸附一层油膜,而完全不吸水。因此,在钻进中用乳化冲洗液,能起到良好的润滑减阻作用。

(二)金刚石的应用

由于金刚石具有密度大、硬度高、强度大、耐磨耐酸碱性好,因此,在国民经济的各个工程领域、特别是在钻探工程施工中得到了广泛应用。

金刚石结构（Diamond structure ）就是金刚石晶体的结构；具有这种类型的晶体结构即称为金刚石型结构。   金刚石是碳原子的一种结晶体。其中的碳原子都以共价键结合，原子排列的基本规律是每一个碳原子的周围都有4个按照正四面体分布的碳原子；这种结构可看成是由两套面心立方Bravais格子套构而成的，套构的方式是沿着单胞 [结晶学元胞]立方体对角线的方向移动1/4距离；也可以看成是由许多（111）的原子密排面沿着[111]方向、按照ABCABCABC···规律堆积起来而构成的；每个单胞中包含有8个原子，每个原胞中包含有2个不等价的原子，是一种复式晶格。重要的半导体Si和Ge就具有金刚石型的晶体结构。   金刚石晶格的倒格子是体心立方格子。因此，Si和Ge等金刚石型晶体中电子的Brillouin区也就是体心立方格子中的W-S原胞，其形状是切角六面体（即14面体）。   

   我刚刚高中毕业,所以你问的问题我还有印象!!我找到的答案不是很具体,我就自己总结总结!!!下图就是金刚石的球棍模型,其中的球代表的就是碳原子,棍代表的是其中的共价键,键角为1095°,形成的是原子晶体至于其他的,我认为并不是很重要,有的我也忘了,到时候我可以把笔记本找出来告诉你!你可以加我QQ:670121754，我大学修的是化学,说不定还可以帮你一把!!

  具有金刚石结构的物质还有硅晶体，二氧化硅晶体,也都是原子晶体,这是重点!!一定要记得!!!原子晶体就这些,还有碳化硅!!别忘记啦!这到时候老实都会讲,不懂得话也可以找老师要这样的球棍模型好好研究研究,会有帮助的!!

化学组成C。其微量元素N和B是金刚石分类的主要依据：N含量大于0001%者为Ⅰ型，小于0001%者为Ⅱ型；Ⅰ型金刚石按N的赋存状态分为Ⅰa型（N原子沿｛100｝聚集成片状分布）和Ⅰb型（N原子置换C原子并出现一个未配对电子旋转于C—N键之间）；Ⅱ型金刚石按是否含B分为Ⅱa型（不含B）和Ⅱb型（含B）；N分布不均匀时构成混合型。约98%的天然金刚石属Ⅰa型。红外光谱是鉴别金刚石类型的主要方法。

晶体结构等轴晶系；金刚石型结构（图15-13）；空间群 Fd3m；a0=0356nm；Z=8。

图15-13 金刚石型结构

碳原子分布于立方晶胞的8个角顶、6个面心和晶胞所分8个小立方体的4个相间的小立方体中心；碳原子以共价键与周围的另外4个碳原子相连，键角109°28′16″，形成四面体配位；平行｛111｝面网密度大，间距也大

图15-14 金刚石晶体

o—八面体；d—菱形十二面体；a—立方体

形态对称型m3m；多呈浑圆状八面体和菱形十二面体单晶，可见八面体、菱形十二面体与立方体、四六面体成聚形（图15-14）。

物理性质无色透明，常因含微量元素而呈不同色调：含Cr呈天蓝色，含Al呈**，还可有褐、灰、白、绿、红、紫等色调，含石墨包裹体者呈黑色；晶面金刚石光泽，断口油脂光泽；经日光暴晒后置暗室发淡青蓝色磷光。解理｛111｝中等、｛110｝不完全。硬度10（显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍），八面体晶面的硬度＞菱形十二面体晶面的硬度＞立方体晶面的硬度。相对密度352。性脆，抗磨性强。不导电。导热性好，室温下其热导率是铜的5倍。熔点高达4000℃，空气中燃烧温度为850～1000℃。疏水而亲油。

成因产状产于金伯利岩、钾镁煌斑岩及榴辉岩中，为高温高压产物。著名产地有南非、扎伊尔、前苏联雅库特等。我国有山东、辽宁、贵州等地。

鉴定特征浑圆粒状，金刚光泽，硬度10，暴晒后置暗室发淡青蓝色磷光。

主要用途金刚石的用途十分广泛：利用宝石级金刚石光彩诱人的色泽和极高的硬度琢磨成“钻石”；利用其高硬度制作仪表轴承、玻璃刀、表镶钻头；利用其高导热性制作微波器和激光器的散热片；利用其优良的红外线穿透性制造卫星和高功率激光器的红外窗口；利用其半导体性能制作整流器、三极管，等等。

思考题及习题

1）以自然金或自然铂为例，说明自然金属元素矿物的晶体化学特征与其形态、物性的关系。

2）为什么金刚石和石墨同为单质碳的矿物，但形态、物性截然不同？

3）从石墨的结构特点解释其物性。

4）试举几种混晶矿物并分析其组成元素的占位特点。

5）自然元素这一大类中，哪些矿物能在河流沉积物中保存并富集？它们各自有什么特点？

6）强金属钾、钠等为何不易形成自然元素矿物？

对金刚石的晶格常数进行计算，得到其理论密度为 3515g/cm 3 ，不同产品的实际密度一般在 348 ～ 354 g/cm 3 之间。在生产中，一般是通过实验测定堆积密度。金刚石的密度与堆积密度是两个不同的概念，人造金刚石的堆积密度一般在 15 ～ 21 g/cm 3 之间，并且颗粒越规则，堆积密度越大。

张鉴新 师殿才

新中国诞生后，人民政府为治理黄河水害，进行黄河流域水利水电枢纽地质勘探工作，1951年至1953年，由燃料工业部水电局承担黄河流域选坝的地质钻探；1954年之后由地质部水文地质局和当时的电力部(后为水利电力部)水电局等共同承担黄河三门峡的初设和技施设计的地质勘探工作。

黄河流域选坝址钻探，1951年至1953年，先后完成由刘家峡至三门峡的坝址，计有：

1951年，黄河朱喇嘛峡；

1952年，黄河三门峡、刘家峡、牛鼻子峡、龙口；

1953年，黄河小沙弯、万家寨。

上述选坝址钻探，水电局任命汪鸿为队长，张鉴新、吴中浩、原应亨为副队长，并组成三个分队，分别承担以上钻探工程，经过朱喇嘛峡、三门峡两个选坝的实际工程中，培训50多名钻探人员，特别是通过三门峡培训的钻探人员，多成为全国水利水电地质钻探队伍中的主要技术力量。

在上述选坝钻探中，除少数钻孔，试用直径为ϕ73mm的铁砂钻头外，均用小孔径金刚石钻头钻孔，这些金刚石钻头是1946年至1947年，美国人承担长江三峡选坝钻探用的器材，新中国诞生后，属燃料部所有。

1954年之后，由于帝国主义封锁我国，金刚石材料严重缺少，改用铁砂钻头钻孔。

金刚石钻头，比铁砂钻头钻孔，钻速快，质量好。

现介绍黄河三门峡选坝钻探，使用小孔径金刚石钻头钻进技术，并以砥柱石、张公岛、神门岛的钻孔为例，说明钻进中的实情。

一、黄河三门峡选坝勘探，使用的小孔径金刚石钻头，是天然金刚石钻头

天然金刚石，其化学成分是纯碳元素，在地下高压作用下，由岩浆中产生，比重为3～352，按莫氏硬度标准，金刚石硬度为10，在10类岩石硬度作标准中，金刚石硬度最高，金刚石重量以克拉为单位计算，米制，一克拉等于200mg( )。钻探用金刚石，一般选用：普通金刚石、透明金刚石(红刚玉)和粉粒金刚石。由相关资料介绍，20世纪40年代，一些国家，如美国、加拿大、南非等国家，广泛使用粉粒金刚石钻头钻孔，用机镶法(相当我国孕镶法)，把粉粒金刚石，锒焊在钻头上，其制作方法有：铸镶法、烧结法和充实法。

美国人承担长江三峡坝址钻探使用的机镶粉粒金刚石钻头，是用充实法制作的，是将粉粒金刚石与金属粉末混合后，再将混合体充实在环状压模上，放入高温下烧结，制成圆环，焊在钻头胎体的底端上。

机镶法，能把较多的金刚石镶焊在钻头上，例如，直径为ϕ46mm(AX型)钻头，可镶焊10克拉以上金刚石，这是手镶法办不到的。

由于金刚石价格贵，为降低成本，国际上多采用小直径金刚石钻头钻孔。

二、使用的钻探设备

(一)钻机：沙利文(水压)100～150型，由汽油内燃机12Hp为动力机。

1三挡变速：400、600、800转/分钟。

2使用水压力，加压钻进。钻机立轴两侧各安装一个水压缸，缸体内通过活塞及活塞连杆与钻机立轴上的横梁相连接，活塞受到水泵水压后，推动活塞及活塞连杆，带动立轴上下运行，再由主轴的卡盘，卡住钻杆给钻头加压。

活塞直径约为D0=ϕ80mm；

活塞连杆直径约为d0=ϕ20mm；

3逰星式起重机：整体结构与我国生产的100～150型油压式钻机相似。

(二)水泵：单缸往复式，Q(水量)=60L/min，P(水压)=30kg/cm2。

(三)钻具

1钻杆直径近似ϕ42mm。

2岩心管：双层单动岩心管，钻进中外管转动内管不转动；冲洗液由内外管之间流经岩心管卡簧器的槽口及钻头水口，将岩粉冲洗到岩心管的外管与孔壁之间，流出孔口。

当钻头的水口被岩粉堵住，这时冲洗液经岩心管内管与岩心之间反向流，经异径接头的反出孔，流经岩心管的外管与孔壁之间，冲洗钻头，起到暂时冷却钻头的作用。

钻进中，如水泵的泵压表指针突然增大，即反映钻进中的冲洗液受到堵住现象，需要及时处理，以免发生烧钻事故。

3锥形岩心卡簧器

锥形长度约25mm，锥度为137°，水槽深15mm，宽11mm，缺口宽12mm，其上(大)端的外径大于岩心管内管的外径2mm，下(小)端的外径大于钻头唇部的内径2mm，卡簧器的内径小于岩心直径01mm。

将岩心卡簧器放在钻头锥形体位置，距钻头底端10～15mm，距岩心管内管底部5mm，当钻头钻进岩层岩心进入钻头内部即被套住，这时钻头转动，而卡簧套住岩心不转，但它却随着钻头进尺，被岩心管的内管压住顺岩心向下移动，待岩心装满岩心管的内管，起钻时，卡簧器在钻头锥体内向下移动、收紧，卡住岩心，随着吊起钻头，把岩心卡断，留在岩心管的内管内，吊出钻孔。

三、钻进

(一)天然金刚石钻头钻孔，需掌握以下知识

1金刚石硬度高，但富有脆性，碰撞易碎，在钻孔中金刚石钻头不能受到碰撞。

2前已说明，机镶金刚石钻头，是将制成的粉粒金刚石圈环镶焊在钻头胎体上的底端，钻头下入钻孔底，如被孔底尚留未断岩心(长度15cm～2cm左右)，卡住金刚石圈环，若处理不妥当，开动钻机带动钻头，会扭断圈环与钻头胎体的焊接。

1947年在长江三峡南津关选坝钻孔中，1948年初在新安江街口选坝钻孔中，1952年在黄河三门峡选坝神门岛的钻孔中，均发生这种扭断金刚石钻头的严重孔内事故，因此需掌握不会发生这种事故的操作事项。

3手镶金刚石钻头，在钻进中由于包镶金刚石颗粒的金属体，磨损后易使金刚石松动，因此要经常检查金刚石钻头上的金刚石是否有松动现象，严禁使用有松动金刚石的钻头，以防发生金刚石脱落孔内。

(二)开孔

按照钻孔安全操作规程要求，做好钻机设备安装定位后，钻孔定点位置的岩层面铲平，并凿成直径与开孔钻头直径相等的圆孔，深1～15cm。

1依据钻孔结构，把钻孔导向的开孔钻进工作做好；

开孔不能偏移或偏斜，由于是浅孔，可用ϕ56cm(BX型)手镶金刚石钻头开孔，结合钻具的实际情况，可使用长度10～15m的短节双层岩心管，每钻的岩心，装满岩心管后取出岩心，累计钻孔深度满足孔口导向管的长度(包括钻孔换径后的岩心管长度)后，下入孔口导向管。

导向管要高出钻场台面2cm，并附有管口保护装置，严防杂物落入孔内，然后改用直径ϕ46mm(AX型)机镶金刚石钻头钻进。

2下入AX型钻头前，要用十字型钻头清理孔内残留岩心，再下入钻具。

3为防止AX型钻头开钻后，由于岩粉未尽，AX钻具与导管发生夹钻事故，要用大量冲洗液，清理孔内岩粉，然后慢速小压力钻进，等钻头超过导向管底部10cm以上，可逐渐加快钻速钻进。

(三)下入钻具前的准备工作

1检查钻头质量要合格，对于同规格两个以上钻头要按新旧或磨损小、磨损大的顺序编号，先用新钻头(或磨损小的钻头)，后用旧钻头(或磨损大的钻头)，否则会发生钻头卡在钻孔狭窄位置，损坏钻头外侧金刚石。

2卡簧器，放在钻头的锥体内，转动要自如，并加些机油；卡簧内径要小于岩心外径01mm，卡簧器弹性要好，锥度要与钻头内部的锥度相同，断口宽≤12mm，高度为25～30mm，放在钻头锥体可高出2mm。

3拧上或拧下金刚石钻头，应使用专用弓形搬子，严防拧伤钻头上的金刚石。

4检查扩管器(或扩孔器)上的金刚石是否磨损严重，其外径要大于岩心管外管的外径1mm以上。

5钻杆、岩心管等丝扣要无损伤，不用弯曲的钻杆和岩心管，要妥善存放钻杆和岩心管，不要受到弯曲压力。

岩心管上，变径接头的输水孔眼要畅通。

(四)选择合适的钻速

1下降钻具

(1)钻具下入孔底前，要计算孔深所需钻杆的数量，并在最后一根钻杆做出标记，标明钻头降到距孔底15cm，这个标记正落到孔口。

(2)钻头下到距孔底15cm，可将下降钻杆与钻机立轴内钻杆相连接，然后慢速下降，同时向孔内送水，并用小管钳转动钻具，边转动边下降钻头，直至钻头轻轻落到孔底，把残留未断岩心顺利套在钻头内，当手感；转动没阻力，表明孔底状态良好。

2在孔口返回的冲洗液中，确认孔底岩粉已清理后，钻头在无压状态下开动钻机，由慢速至快速，压力由小到大，逐渐选择合适的钻进速度。

机镶钻头的钻速可达到：

砂岩层中钻进纯进尺可达166cm/min。

煤系岩层钻进纯进尺可达15cm/min。

为避免烧坏钻头，冲洗液的水量和水压必需把岩粉及时冲出孔外。

3水量计算：

水量与钻速相关，黄河三门峡的钻速，可选用煤系岩层的纯进尺15cm/min来计算所需水量，通常按以下计算水量：

(1)Q=FV (1)

式中：

Q=水量(L/min)；

F=孔壁与钻杆之间面积=0785(D2-d2)；(2)

D=孔壁直径=ϕ(46+3)=ϕ49cm

d=钻杆直径=ϕ42mm=ϕ42cm

V=冲洗液的流速=a(Uw+UC) (3)

a=水流不均匀系数 选用a=12；

Uw=钻屑岩粉在静水中下降速度，可使用；

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K=钻屑岩粉形状系数(按圆球)K=511；

δ=钻屑岩粉大小=

Ψ0=钻进不均匀系数=2～3选取Ψ0=3；

S0=最大钻速，煤系，S0=15cm/min；

N=钻头转数，N=400转/分钟；

M=钻头块数，当小水口为二个，M=2；

γN=岩粉比重，26；

γI=冲洗液比重，清水，γI=1；

UC=冲洗液带钻屑岩粉上升的速度，可使用：

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F0=孔底钻开相当面积=0785(D2— ) (7)

=岩石收获折减系数07～09取 =08]]

K=岩心直径=ϕ28mm

S=每秒钟进尺= = =025cm/s

P= =1015，

γI=冲洗液比重，清水γI=1

γ2=返回液比重，γ2=1015

(2)以上数据代入(7)(5)(2)(6)(4)(3)(1)后；

F0=0785(D2— )=0785(0492-08×0282)=01393dm2≈014dm2

δ= = =005625cm取δ=01

F=0785(D2-d2)=0785(0492-0422)=005dm2

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V=a(UW+UC)=12(2044+75)=114528≈115dm/s

Q=FV=005×115=0575L/s≈06L/s=36L/min。

4水压计算

基本数据：

孔深：按40m；水量：Q=06L/s；

(1)钻杆内径的水压阻力：

①数据：钻杆：外径d=ϕ42mm；内径d1=ϕ33mm；

内径面积：F1=0785×0332=008dm2

内径流速：U1=Q/F1= =75dm/s=075m/s

②水压阻力：h1=

λI=002+ =002+ ≈003144；L1=钻杆总长度≈40m。

γI=(清水)=1

由(8)式：h1=003144×1× × =1093≈11m

(2)孔壁与钻杆间的水压阻力：

①数据：孔径D=ϕ49mm；钻杆d=ϕ42mm；

孔壁现钻杆间面积F=005dm2；(前面已算过)

流速U2= = =120cm/s=12dm/s=12m/s

②水压阻力h2=

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雷诺数通式：Re=

L0=断面线长=D-d=49-42=07cm；

(清水粘滞系数)v=001(清水)cm2/s；(20℃水=001)

由式(11)Re= =8400

由式(10)λ2=002+ =00385

v2=1015

取Ψ2=11(考虑返回冲洗液中带有较大粉粒钻屑系数)

由式(9)h2=00385×1015×11× × =1803≈18m

(3)钻杆接头内径水阻压力；

①数据：接头内径d2=16mm；

接头内径面积；F2=0785(016)2=002dm2

接头内径流速；U3= = =30dm/s=3m/s；

每根钻杆长度：l=4m

②钻杆接头内径水压阻力：

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(4)水龙头，岩心管，钻头堵塞，等的水压阻力，通常经试验测得，一般可估算为：水龙头阻力为10m；h4=10m；

岩心管水压阻力为5m；h5=5m；

钻头堵塞水压阻力为40m～50m；取h6为45m；

(5)Σh=h1+h2+h3+h4+h5+h6=11+18+3+10+5+45=821m；

水泵需承担水压：H=K0Σh

取K0=15(安全系数)

H=15×821=12315m≈1235m=1235kg/cm2；

5转数

使用机镶金刚石钻头，钻进中选用的转数；

砂岩层：800转/分钟；

闪长玢岩层：600转/分钟；

煤系岩层：400转/分钟。

在冲洗液的水量和水压充足情况下，确认不烧坏钻头，可使用上述转数。

沙利文钻机是汽油动力机，加油量(转速)可由小到大，转数因而由慢到快，通过加油量的由小到大来控制钻具转数，是调整钻速至最佳状态的有效方法之一。

6钻进给压

前已说明，钻进给压是使用两个活塞，由水泵给水加压，带动钻机主轴传给钻具加压钻进。

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式中：б=钻头单位面积上承压；

P=两个活塞的压力=2×0785( )×P0 (13)

D0=活塞直径=ϕ80mm；

d0=活塞连杆直径=ϕ20mm；

P0=水泵压力(kg/cm2)

f=钻头净面积=0785( )-2b(D-DK)÷2 (14)

D=钻头直径=ϕ49mm；

DK=钻头内径=ϕ28mm；

b=钻头上每个水口宽度为11mm，共两个水口；

由式(13)P=2×0785(82-22)P0=942P0

由式(14)f=0785(492-282)-2×11(49-28)÷2=12693-231=10383≈104cm2

由式(12)

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(1)闪长玢岩层，钻进中水泵压力常为10～12kg/cm2；

取P0=11kg/cm2

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(2)煤系岩层，钻进中水泵压力，常为8～10kg/cm2

取P0=9kg/cm2

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综合钻进压力(表)

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7综上

金刚石钻头，在孔深300m钻孔中钻进技术操作顺序：

检查钻具合格后→把钻具下到孔底→给钻孔送入冲洗液→在返回的冲洗液中已无钻屑岩粉→钻头在无压状态下用管钳转动钻具，确认钻头在孔底转动正常→开动动力机，带动钻机，慢速转动钻具→给钻头加压→边增加钻头转数、边增加钻头压力→快速钻进。

当钻头快速进尺时，操作人员要密切注意：孔口返回水、水泵及动力机的负荷状态等，确属正常，表明钻头在孔底可正常钻进。

经过钻进进尺计算，岩心已装满岩心管，即可起钻，取出岩心，按地质质检要求：编号、装箱，保存在安全可靠的地方。

8附图

机镶金刚石钻头钻具图见后；

注：图中构件请参阅《水利水电勘探钻具图册》的相关部分。

机镶金刚石钻钻具图

1—金刚石钻头；2—岩心卡簧；3—扩孔器；4—内管短节；5—内管；6—外管；7—钢球；8—推力轴承；9—密封圈外壳；10—套筒；11—心轴；12—异径接头；13—锁母；14—轴承外壳

注：双层单动金刚石钻头钻具，计有三种构造，本图是其中之一，详见《水利水电勘探钻具图册》的相关部分

原则上，把石墨改造成金刚石所需的压力和温度范围是比较广的，所以用於合成金刚石的高温装置和方法也很多。目前工业用的生产方式是以「高压静态法」最为普遍，所谓静态技术装置，就是所产生的高压是缓慢上升的，升到一定压力值以后，可以稳定保持一段时间。它与「高压爆炸法」又有不同，后者是从升压到降压整个过程，时间非常短促，高压瞬间产生也瞬间消失。还有一个不同之处是：「高压静态法」是在金属催化剂的帮助下，将石墨转化为金刚石，因此温度和压力可以降低许多（即前面所提的熔剂－触媒法）。「金属催化剂」是扮演什麼样的角色呢？它好比是个「建筑工程师」，能帮助把石墨结构修改、重建成金刚石结构。因为金属催化剂在高温高压下是碳的熔剂，也就是能把碳原子间的结合力扯断，把石墨熔解，为碳原子重新结合成金刚石创造有力的条件。因此作为触媒的本身晶体结构，也是非常的重要，它是影响碳原子能否重新结合成金刚石的重要因素之一。而且，金属催化剂还可使高压静态法的压力，降低到5至6万大气压，温度降低到1500℃至2000℃，节省许多的经济成本。

在此，我们忍不住要问，天然金钢石又是如何形成的呢？形成的地质条件又是哪些呢？它是地球内部岩浆中的含碳物质，在地球深处中的高温和高压作用之下所生成的。这就给了我们很好的启示，只要我们模拟天然生成金刚石的高温、高压和生长条件，就可以人工合成出人造的金刚石。那麼合成的压力和温度需要多大呢？地属深度不同，其温度和压力自然也有不同。基本上。地层越深，压力和温度越高。例如，地表至地球中心约有6×106公尺深，在地心里的压力估计大约是33×106大气压，温度可达6000℃～7000℃。实验证明，只要我们设计的高温高压装置，能达到地球1000公尺以下的1500℃～2000℃，压力是4～5万大气压，在催化剂的作用下，就能把石墨构造改造成金刚石构造，使得乌漆麻黑的石墨变成灿烂夺目的钻石。

人造金刚石的未来发展动向

随著人们对金刚石性质的认识日益深刻，加上在冶金、地质钻探、机械、光学仪器加工、电子工业和航空技术等方面的广泛应用，使得金刚石不论是在经济建设、生产技术和国防工业上，都扮演著举足轻重的角色。

想要有效地提高人造金刚石的质与量，超高压技术的研究是一个重要因素。从物质结构转化的角度来看，不但要有超高压技术，更需要高温高压设备，所产生的温度压力能够稳定且可被准确测量才行。因为只有在十分高且稳定的压力之下，物质的性质才会产生惊人的变化，新的材料及超硬材料才会出现。正因如此，目前世界各国都十分重视「高压物理」的研究工作。压力已由原先的几万大气压，提升到几百万大气压，甚至可望达到千万大气压。随著超高压技术的发展，将使人造金刚石在晶形、颗粒、产量与质料等方面产生重大突破，且让我们拭目以待。

苏明德任职於清华大学化学研究所

繁体字 比较累 不好意思

回答者： admin0524 - 高级魔法师 五级 2006-7-6 16:22

检举 摘要人工制造钻石并非天方夜谭，只要掌握科学原理，清水照样也可以变鸡汤。

据报载（民国87年12月12日联合报）：「台北市警局刑警大队侦破利用俗称「摩星宝石」人造钻石的合成碳化矽石充当真钻石，而向当铺典当的诈骗集团。据行家向警方表示，「摩星宝石」是由美国公司研制成功，属於最新型科技，硬度值高达95，高於苏联钻（二氧化锆石）的硬度值90，只低於真钻石硬度值100。它的最大特点是将「摩星宝石」以测试钻石真伪的测钻笔测试，均呈真钻反应。就宝石学而言，它的特性非常接近钻石，色泽亦像钻石，没有仔细检查常会误以为是真钻。」

或许有人会问，到底什麼是「摩星宝石」？它的成分和结构又是什麼？这牵涉到人家的商业机密，我们目前无法探知。但笔者在这里倒是愿意从科学的角度，来介绍人造钻石的制程及其基本特性。

金刚石的物理特性

首先，必须指出钻石（学名为「金刚石」）和宝石不同。自然界中的宝石以氧化铝（Al2O3）为主要成分，同时也含有微量的金属氧化物（如：氧化铬）；金属氧化物可以使宝石具有各种颜色。

反之，金刚石是碳的结晶体，其基本特点是具有规则的几何形状。根据金刚石的晶体型态（图一）可以分为单晶体、连生体和聚晶体。并且还可以进一步细分为六面体、八面体、十二面体等等。原则上，人造金刚石比天然金刚石具有较明晰的晶体及稜角，晶面也较为平整。

由於晶体内所含杂质不同，使得金刚石具有各式各样的颜色：如淡黄、黄绿、暗灰，甚至黑色等。通常晶形完整，透明度高的金刚石品质较好，比重一般是介於每立方公分315～352克之间。完全无杂质且结晶完整的晶体，其比重最大（即每立方公分352克）。一般来说，天然金刚石的比重随著自身的杂质含量而有所不同，也就是随著金刚石颜色不同而异。无色及绿色的金刚石比重较低，青蓝色、玫瑰色其次，澄**金刚石的比重最高。而人造金刚石的比重，还会因制作过程的压力、温度的改变，以及保温时间长短的不同，其色泽和比重也不相同。

有的金刚石在紫外线、X射线等的照射下，晶莹夺目。例如在紫外线照射下还会发光，金刚石可发出浅蓝色、橙黄、粉红等各种美丽的光彩。经研究证明，金刚石的发光特性与它的外形无关，而与它的内部构造与晶体结构缺陷有关。因此，我们可以根据金刚石不同的发光特性，来研究和分析金刚石的内部结构、杂质及晶体缺陷。一般而言，天然金刚石的主要杂质元素为氮（最高含量为02％）和铝。

金刚石质地较脆且硬，在目前已发现的物质中，金钢石的硬度可说是「冠军」。它在莫氏硬度表中（就是以十种矿物的硬度，从最软到最硬排成十级，做为比较硬度的标准，见表一），排在最硬的一级，亦即第10级。金刚石的硬度是石墨的1000倍。简单的说，金刚石是地球上最硬的物质（图二）。这或许可从一个小故事里获得证实。八十年前，苏俄沙皇尼古拉斯二世一家人，遭***行刑队处决，刽子手一枪又一枪地向皇室女族发射，她们依然在呻吟翻滚，刽子手大惑不解？有些子弹竟然从她们身上反弹到墙上。后来才知，原来她们在紧身胸衣的衬里内塞了八公斤多的钻石。她们的痛苦因为这些钻石而延长了。

也正因为如此，使得金刚石在工业用途上扮演著相当重要的角色。举例来说，因为金刚石的硬度最高，所以它可以刻画其他任何物质。因此，若把金刚石用在采矿的钻头上，可使钻探技术和速度大大地提高。此外，工业上用的各种刀具、光学玻璃与砂轮等，甚至人造假牙，都要籍助金刚石来切割、研磨和加工。金刚石可以说是现代科技工业的生力军。

理想的金刚石是不导电的绝缘体。根据理论计算，理想的金刚石具有1070欧姆公分的电阻率（电阻率是指长1公分，截面积为1平方公分的电阻值，亦是衡量物质导电能力的一个物理量）。可是近年来发现了具有半导体性能的金刚石，此种金刚石含有其他成分的杂质，因而大大降低了它的电阻率，降至1014~1015欧姆公分，所以成了半导体。

金刚石的另一项优点，就是耐热性高－在空气中加热850℃～1000℃左右才会燃烧碳化；即使金刚石在纯氧中，也须加热至720℃～800℃才可以燃烧。半导体广泛使用的锗二极管只耐热300℃，矽二极管可耐热400℃。因此，我们若用半导体金刚石来制作晶体三级极和二极管，可以想见，它的性能绝对比锗、矽晶体来得好，而使用寿命也将大幅提高。化学的强酸和强碱对金刚石也起不了作用。虽是如此，金刚石仍可溶於熔融的硝酸钠、硝酸钾和碳酸钠中。

金刚石还有一个引人注意的特点，那就是它具有很高的导热率。导热率是衡量物质散热性能的一种参考量。导热率越高代表导热越快，散热的性能越好。例如，在室温下，铜的导热率为每公分每秒4瓦，而金刚石的导热率为每公分每秒20～24瓦，是铜的5～6倍。随著温度的升高，在40℃以后，铜的导热性能远远落后於天然钻石和人造钻石。尤其是人造钻石，它的导热性能往往比天然钻石还要优良。这暗示著，金刚石在电子工业中又可大显身手，因为某些零件本身就需要散热强的材料来做。工业上，常用金刚石做为固体微波器材和半导体雷射器材的散热片。此外，人们也用金刚石做为航空工业的温度探测零件。

当快速粒子（如光子或放射性粒子）撞击金刚石时，就会在金刚石的外接电路上，出现脉冲电流，这说明了金刚石具有光导电性。用光照射而使半导体的导电率（导电率＝l／电阻率）增加，这种现象就称做「光导电性」。利用金刚石的这种性质，可应用在导电性晶体计数器上。又因金刚石在放射粒子的照射下，具有发光的特性，所以还可把它应用在闪烁计数器上。可以预期，将这种器件用在原子能的研究上，会比其他晶体性能来得好。因此，科学家将某些金刚石制造成很小的计数器，做为检测放射线能量的探射器，用以检验α、β粒子和γ射线，并广泛用於医学、地球物理和原子能研究工作上。

为什么需要人造金刚石？

由上文我们得知金刚石晶体光怪陆离，美丽夺目，具有多项优点，像是硬度最大、比热低、导热性能强、高温稳定性佳、机械强度大、抗腐蚀性能强和半导体功能等等。

科学家之所以想去制造人工合成的金刚石，理由非常简单，那就是天然金刚石的来源非常有限，而且采勘开采都十分困难。天然金刚石矿藏的含金刚石量甚微，即使是蕴藏丰富的所谓「富矿」，其含量也仅仅是百万分之一到千万分之一。换句话说，要开采处理数吨重的矿石，才能获得1克拉（l克拉＝02公克）金刚石。

获得天然金刚石是如此困难，再加上科技发展的进步，对金刚石的需求与日遽增，仅靠开采天然矿所得，实在是难以满足日益增长的需要。於是，人们就想用人工合成的办法，来生产人造金刚石。科学家对人造金刚石的研究，已有百年以上的历史，直至1953年才成功合成出人造金刚石。从此，材料工业里又开辟了另一个新天地。

人造金刚石的由来

自从人造金刚石制造成功之后，人造金刚石工业立刻得到欧美先进国家的高度重视，自1960年代起，人造金刚石产量以每年平均40％的成长率高速发展，估计现在每年人造金刚石产量有几亿克拉之多。那麼人造金刚石是怎麼制造出来的呢？

事实上，或许我们就可以在家中自行制造人工钻石。请准备一些煤当燃料，而普通铅笔所含的石墨就是制造钻石的基本原料（图三），还要准备一个能密闭的钢桶。一切准备妥当，请把炉子生起火，石墨和炸药放入钢桶内，旋紧桶盖便投入炉子里，然后你可以先去散散步。这时的你，担心房子会炸个稀烂吧？不过，这要看你的运气和钢桶壁的强度，但是请不要这么心急就想看一眼你手制的宝物。钻石结晶是需要时间的。炉火至少要燃烧一段时间，然后就可以打开钢桶的盖子。

制作人造钻石一点也不是天方夜谭。钻石真的可以从煤炭或者石墨制造出来，有什麼根据呢？

早在两百多年前，近代化学奠基者－－法国的拉瓦锡首先提到：金刚石和石墨都是由碳元素组成的一对亲兄弟。可是这两兄弟的个性却完全不同。石墨外表黝黑，质地软得一折即断。相反的，金刚石外表光泽灿烂夺目，且是世界上最硬的物质。为什麼都是同根生，差异却如此大呢？

原因就在於它们自身的结构不一样。在石墨和金刚石中，碳原子的结合方式及排列方式各不相同。在化学世界里，一种元素若拥有几种不同的晶体结构，这种现象就称为「同素异形」，像是磷、氧及硫等等都有这种特性。正因「同素异形」主要是指晶体结构的不同，因而其物理性质或化学性质也会有所不同，比如会具有不同的颜色、密度、硬度、溶解度，以及在化学反应上表现不同的本领等等。碳的「同素异形」体只有两种，即前面所说的石墨和金刚石。

以石墨为例，石墨的结构是成层状排列，像千层蛋糕一样，一层层叠加起来。从图四中我们可以看到，它的每一层又以正六边形连结成平面的网。在平面网上，六边形的每边之长（即每个碳原子间的距离）篇142Å（Å称为埃，l埃＝10-10公分）。碳原子和碳原子间的结合力，是靠相互贡献来的电子（共用电子）对所形成的。共用电子对把两个碳原子结合得很牢固，我们把这共用电子对所形成的束缚力称为「共价键」，而各个平行层与层之间的距离为335Å。几乎两倍於每平面层中两个碳原子间的距离，正因如此，层与层之间的结合力较弱。而层与层之间的结合力，是由各碳原子提供一个电子在每一平面层上自由移动所形成的，这些运动的电子并没有把碳原子连结得很牢固，容易散开来，故这种结合力又称为「金属键力」。也由於电子可以在层与层之间自由移动，所以石墨可以导电。因此，石墨本身结构的最大特点，就是由牢固的「共价键」（专业术语而言，即σ键）和不牢固的「金属键」（即π键）之双重键型所组成的。如此一来，使得石墨的层与层之间容易滑动，甚至断开，而使石墨的质地变得很柔软。但是，由於同一平面层上的碳原子间结合力很强（共价键之故），极难破坏，所以石墨的熔点较高，且化学性质也较稳定。

石墨的晶体结构也决定著它的物理特性。对於一个单晶体而言，石墨可看作是一个二维的金属。也就是说，石墨晶体中由於有两种不同的结合力，使得其晶体层的平行方向和垂直方向的导电性及导热性产生了差异，这种现象称之为「各向异性」。根据研究指出，其二个方向性能的数值比约为3～4比l。但由於一般石墨的晶体分布甚为杂乱，因而整体来看，就显不出很大的方向性。

在十六世纪中叶，欧洲的石墨产量颇丰，开采容易，而且有人发现这种矿物能留下很清晰的痕迹，於是便拿来当作书写与绘图的工具。事实上，石墨的英又叫做“graphite”，就是源自於希腊文的「书写」，即“graphein”到了十八世纪中叶，业者经过多次的研发，懂得混合石墨粉与黏土，制造出笔质稳定，但有更多不同硬度以及黑度的一系列铅笔（所以铅笔里并不含铅）。换言之，调整黏土与石墨粉的比例，可以控制笔心的硬度与黑度。黏土的比例越高，笔心越硬；相反的，石墨的比例越高，表示笔心越软。通常是以阿拉伯数字来区分笔心硬度：数字越大，硬度随之递减。或用B来代表黑（black），而用H来代表硬（hard）； B字母重复越多，就代表笔心越黑；相对的，H字母重复越多，便代表笔心越硬。若是看到铅笔上印有“HB”字样，就表示它是一种「有点黑，又不太黑；有点硬，又不太硬」的铅笔。

金刚石就不一样了。每个金刚石的晶胞（「晶胞。是构成金刚石的最小单位，犹如生物组织的「细胞」）中有四个碳原子，各个碳原子分布在正四面体的四个顶角上（图五），且碳原子和碳原子间是以牢固的共价键相连接。许许多多这样大小、形状相同的晶胞，有规则地紧密连接在一起，形成如图六结构的重复体。且在金刚石晶体中，每个碳原子与它邻近的四个共价碳原子是等距离的，长度为154Å，这和有机化合物中的碳原子间的单键距离相同。这样安排的碳原子具有很高的结合能，因为各碳原子间的距离相等，使得金刚石晶体具有无隙可乘的结构，拥有物质中最高的力学强度，因而形成金刚石晶体坚硬的特性。因为已知石墨的比重是立方公分226克，而金刚石的比重则是介於立方公分315～352克之间，可见碳原子在金刚石里要比在石墨里来得密实许多。从上述介绍中，我们可以清楚了解到，物质的硬度取决於他们原子之间的键结方向和键能强度。

看来问题很清楚，只要把石墨的结构改建成金刚石的结构，人造金刚石的问题就算解决了。从那里改建起呢？从它们结构上的差别来看，必须把石墨里层与层间不牢固的结合力（即金属键力）拉断或变动，并且同时也将六角平面上各碳原子间的结合力（即共价键力）和结合方式来个「大搬家」，使它们之间的结合按照金刚石的形式和要求，有规则地结合在一起，便成为金刚石晶体了。

那麼，用什麼手段来改建石墨的结构，使其成为金刚石呢？目前所知，人工合成金刚石的方法多达十余种。按晶体生长的特性，基本上可归纳为直接法、熔剂－触媒法和外延法三种。所谓「直接法」，顾名思义就是使碳质原料直接从固态转变成金刚石；方法上，可分为「瞬间超高温高压法」及「动态冲击法」。所谓「熔剂－触媒法」，就是利用某些金属及其合金制成催化剂，利用比「直接法」更低的压力，将石墨碳质原料转化为金刚石。而「外延法」，就是先热解石墨，使碳质原料中含有四价的碳原子（专业术语而言，指的是sp3型的碳原子）或基团先分离出来，作为生成金刚石的碳源。

由於金刚石的生长机制颇为复杂，在此只能作简略的定性描述。我们从热力学观点出发：热力学的基本原理告诉我们，在改变一定的压力和温度条件下，许多物质的结构将发生变化。特别是在超高压和超高温的条件下，物质将发生重大变化。例如，在极高压下，能把气态的氢压缩成固态的氢，甚至成为金属氢（成为固体，且具有导电、传热的功能）。高压也可把非导电的绝缘体变成可导电的导体。另一方面，也从动力学出发：石墨碳质原料能否成功地转变成金刚石，还必须取决於「石墨→金刚石」的相变速率。当金刚石的生核率和长大速率，同时处於最大值时，则石墨转变为金刚石的相变速率最大。也就是所谓的活化能最小，反应速率最大。

一般来说，我们大多采用高温高压法，将石墨转变成金刚石。高温的目的，是为了提供必要的热能，使得石墨晶格里的碳原子，做大幅度热振动，进而摆脱束缚，拆散碳原子群。同时利用高压方式，藉著压缩，将这些分散开的碳原子，重新紧密地挤在一起（压缩成如图五所示），原子间的距离缩短，彼此间的联系也就会愈坚固，就是软的石墨变成硬的金刚石。

原则上，把石墨改造成金刚石所需的压力和温度范围是比较广的，所以用於合成金刚石的高温装置和方法也很多。目前工业用的生产方式是以「高压静态法」最为普遍，所谓静态技术装置，就是所产生的高压是缓慢上升的，升到一定压力值以后，可以稳定保持一段时间。它与「高压爆炸法」又有不同，后者是从升压到降压整个过程，时间非常短促，高压瞬间产生也瞬间消失。还有一个不同之处是：「高压静态法」是在金属催化剂的帮助下，将石墨转化为金刚石，因此温度和压力可以降低许多（即前面所提的熔剂－触媒法）。「金属催化剂」是扮演什麼样的角色呢？它好比是个「建筑工程师」，能帮助把石墨结构修改、重建成金刚石结构。因为金属催化剂在高温高压下是碳的熔剂，也就是能把碳原子间的结合力扯断，把石墨熔解，为碳原子重新结合成金刚石创造有力的条件。因此作为触媒的本身晶体结构，也是非常的重要，它是影响碳原子能否重新结合成金刚石的重要因素之一。而且，金属催化剂还可使高压静态法的压力，降低到5至6万大气压，温度降低到1500℃至2000℃，节省许多的经济成本。

在此，我们忍不住要问，天然金钢石又是如何形成的呢？形成的地质条件又是哪些呢？它是地球内部岩浆中的含碳物质，在地球深处中的高温和高压作用之下所生成的。这就给了我们很好的启示，只要我们模拟天然生成金刚石的高温、高压和生长条件，就可以人工合成出人造的金刚石。那麼合成的压力和温度需要多大呢？地属深度不同，其温度和压力自然也有不同。基本上。地层越深，压力和温度越高。例如，地表至地球中心约有6×106公尺深，在地心里的压力估计大约是33×106大气压，温度可达6000℃～7000℃。实验证明，只要我们设计的高温高压装置，能达到地球1000公尺以下的1500℃～2000℃，压力是4～5万大气压，在催化剂的作用下，就能把石墨构造改造成金刚石构造，使得乌漆麻黑的石墨变成灿烂夺目的钻石。

人造金刚石的未来发展动向

随著人们对金刚石性质的认识日益深刻，加上在冶金、地质钻探、机械、光学仪器加工、电子工业和航空技术等方面的广泛应用，使得金刚石不论是在经济建设、生产技术和国防工业上，都扮演著举足轻重的角色。

想要有效地提高人造金刚石的质与量，超高压技术的研究是一个重要因素。从物质结构转化的角度来看，不但要有超高压技术，更需要高温高压设备，所产生的温度压力能够稳定且可被准确测量才行。因为只有在十分高且稳定的压力之下，物质的性质才会产生惊人的变化，新的材料及超硬材料才会出现。正因如此，目前世界各国都十分重视「高压物理」的研究工作。压力已由原先的几万大气压，提升到几百万大气压，甚至可望达到千万大气压。随著超高压技术的发展，将使人造金刚石在晶形、颗粒、产量与质料等方面产生重大突破，且让我们拭目以待。