18世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)身價(jià)高貴的金剛石竟然是碳的一種同素異形體，從此，制備人造金剛石就成為了許多科學(xué)家的光榮與夢(mèng)想。 一個(gè)世紀(jì)以后，石墨 —— 碳的另一種單質(zhì)形式被發(fā)現(xiàn)了，人們便嘗試模擬自然過(guò)程，讓石墨在超高溫高壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)變成金剛石。為了縮短反應(yīng)時(shí)間，需要2000℃高溫和5.5萬(wàn)個(gè)大氣壓的特殊條件。
1955年，美國(guó)通用電氣公司專門制造了高溫高壓靜電設(shè)備，得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體，從而開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石磨料的先河，他們的年產(chǎn)量在20噸左右；不久，杜邦公司發(fā)明了爆炸法，利用瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生的高壓和急劇升溫，也獲得了幾毫米大小的人造金剛石。
金剛石薄膜的性能稍遜于金剛石顆粒，在密度和硬度上都要低一些。即便如此，它的耐磨性也是數(shù)一數(shù)二，僅5微米厚的薄膜，壽命也比硬質(zhì)合金鋼長(zhǎng)10倍以上。我們知道，唱片的唱針在微小的接觸面上要經(jīng)受極大的壓力，同時(shí)要求極長(zhǎng)的耐磨壽命，只要在針尖上沉積上一層金剛石薄膜，它就可以輕松上陣了。如果在塑料、玻璃的外面用金剛石薄膜做耐磨涂層，可以大大擴(kuò)展其用途，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越又經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。
更重要的是，薄膜的出現(xiàn)使金石的應(yīng)用突破了只能作為切削工具的樊籬，使其優(yōu)異的熱、電、聲、光性能得以充分發(fā)揮。金剛石薄膜已應(yīng)用在半導(dǎo)體電子裝置、光學(xué)聲學(xué)裝置、壓力加工和切削加工工具等方面，其發(fā)展速度驚人，在高科技領(lǐng)域更加誘人。
用人工方法使非金剛石結(jié)構(gòu)的碳轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)的碳，并且通過(guò)成核和生長(zhǎng)形成單晶和多晶金剛石，或把細(xì)粒金剛石在高壓高溫下燒結(jié)成多晶金剛石。這是高壓研究在生產(chǎn)上得到應(yīng)用的一個(gè)重要實(shí)例。
從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，決定石墨等非金剛石結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)原料能否轉(zhuǎn)變成金剛石的相變條件是后者的自由能必須小于前者。這種相變過(guò)程是在高壓、高溫或者還有其他組分參與的條件下進(jìn)行的。一定的壓力、溫度和組元濃度等可以使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化，從而使價(jià)電子可處能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重發(fā)生相應(yīng)的變化。這就可能出現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移和組成新的鍵合狀態(tài)的電子結(jié)構(gòu)，即發(fā)生了相變。如果系統(tǒng)中能量變化有利于在固體中發(fā)生這種電子結(jié)構(gòu)的變化，則高壓高溫相變發(fā)生在固態(tài)，否則就可能發(fā)生在熔態(tài)或汽態(tài)。在熔體中發(fā)生這種變化的條件是，鍵合特征的價(jià)電子分布的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相應(yīng)降低，遠(yuǎn)程有序的作用趨于消失，原子配位數(shù)發(fā)生變化；而電子處于激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重趨于增大，近程有序作用相應(yīng)增強(qiáng)。氣體中發(fā)生這種變化的條件是，單質(zhì)原子間或化合物的鍵合分子間的電子能級(jí)趨于消失，所有的電子轉(zhuǎn)移到單原子或分子能級(jí)上去，這樣，電子處于激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重更為增大。因此，人造金剛石可以在固態(tài)，也可在熔態(tài)和汽態(tài)條件下進(jìn)行，這取決于壓力、溫度和組元濃度等因素引起系統(tǒng)內(nèi)能的變化情況。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，還要求石墨等碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)變成金剛石時(shí)具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變速率。在金剛石成核率和生長(zhǎng)速率同時(shí)處于極大值時(shí)的相變速率最大。
自18世紀(jì)證實(shí)了金剛石是由純碳組成的以后，就開(kāi)始了對(duì)人造金剛石的研究，只是在20世紀(jì)50年代通過(guò)高壓研究和高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，才獲得真正的成功和迅速的發(fā)展。人造金剛石的具體方法多達(dá)十幾種。按所用技術(shù)的特點(diǎn)可歸納為靜壓、動(dòng)壓和低壓等三種方法。按金剛石的形成特點(diǎn)可歸納為直接、熔媒和外延等三類方法。圖表示碳的壓力-溫度（□-□）相圖和三種方法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。1區(qū)為直接法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū),2區(qū)為熔媒法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū),3區(qū)為外延法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。
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