金剛石[純碳組成的礦物]

金剛石[純碳組成的礦物]

金剛石俗稱“金剛鑽”。也就是我們常說的鑽石的原身,它是一種由碳元素組成的礦物,是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質。金剛石的用途非常廣泛,例如:工藝品、工業中的切割工具。石墨可以在高溫、高壓下形成人造金剛石。金剛石有各種顏色,從無色到黑色都有,以無色的為特佳。它們可以是透明的,也可以是半透明或不透明。許多金剛石帶些黃色,這主要是由於金剛石中含有雜質。金剛石的折射率非常高,色散性能也很強,這就是金剛石為什麼會反射出五彩繽紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會發出藍綠色螢光。金剛石原生礦僅產出於金伯利岩筒或少數鉀鎂煌斑岩中。

基本信息

基本簡介

金剛石結構

金剛石金剛石
金剛石(其中純淨的叫鑽石)的化學式C----4個C(碳原子),空間結構問穩定的正三稜錐交替連結而成.金剛石是原子晶體,一塊金剛石是一個巨分子,N個C的聚合體。只能用它的元素符號加注釋來表示[C(金剛石)].鑽石就是我們常說的金剛石,它是一種由碳元素組成的礦物。金剛石是自然界中最堅硬的物質,因此也就具有了許多重要的工業用途,如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鑽頭、拉絲模。還被作為很多精密儀器的部件。金剛石與石墨同屬於碳的單質。是一種具有超硬、耐磨、熱敏、傳熱導、半導體及透遠等優異的物理性能,素有“硬度之王”和寶石之王的美稱,金剛石的結晶體的角度是54度44分8秒。20世紀50年代,美國以石墨為原料,在高溫高壓下成功製造出人造金剛石。人造金剛石已經廣泛用於生產和生活中,雖然造出大顆粒的金剛石還很困難(所以大顆粒的天然金剛石仍然價值連城),但是已經可以製成了金剛石薄膜。

金剛石顏色

金剛石有各種顏色,從無色到黑色都有,以無色的為特佳。它們可以是透明的,也可以是半透明或不透明。許多金剛石帶些黃色,這主要是由於金剛石中含有雜質。金剛石的折射率非常高,色散性能也很強,這就是金剛石為什麼會反射出五彩繽紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會發出藍綠色螢光。金剛石原生礦僅產出於金伯利岩筒或少數鉀鎂煌斑岩中。金伯利岩等是它們的母岩,其他地方的金剛石都是被河流、冰川等搬運過去的。金剛石一般為粒狀。如果將金剛石加熱到1000℃時,它會緩慢地變成石墨。
中國也擁有製造金剛石的技術,但最大也不過0.2克拉左右。
引用亞洲寶石協會(GIG)報告:金剛石的化學成分為C,與石墨同是碳的同質多象變體。在礦物化學組成中,總含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素,並常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等雜質元素,以及碳水化合物。
金剛石礦物晶體構造屬等軸晶系同極鍵四面體型構造。碳原子位於四面體的角頂及中心,具有高度的對稱性。單位晶胞中碳原子間以同極鍵相連結,距離為154pm。常見晶形有八面體、菱形十二面體、立方體、四面體和六八面體等。
金剛石的絕對硬度是剛玉的4倍,石英的8倍。詳細絕對硬度如下:
金剛石10000-2500
剛玉2500-2100
石英1550-1200。
礦物性脆,貝殼狀或參差狀斷口,在不大的衝擊力下會沿晶體解理面裂開,具有平行八面體的中等或完全解理,平行十二面體的不完全解理。礦物質純,密度一般為3470-3560kg/m3。
金剛石的顏色取決於純淨程度、所含雜質元素的種類和含量,極純淨者無色,一般多呈不同程度的黃、褐、灰、綠、藍、乳白和紫色等;純淨者透明,含雜質的半透明或不透明;在陰極射線、X射線和紫外線下,會發出不同的綠色、天藍、紫色、黃綠色等色的螢光;在日光曝曬後至暗室內發淡青藍色磷光;金剛光澤,少數油脂或金屬光澤,高折射率,一般為2.40-2.48。

金剛石熱導率

金剛石的熱導率一般為136.16w/(m·k),其中Ⅱa型金剛石熱導率極高,在液氮溫度下為銅的25倍,並隨溫度的升高而急劇下降,如在室溫時為銅的5倍;比熱容隨溫度上升而增加,如在-106℃時為399.84J/(kg·k),107℃時為472.27J/(kg·k);熱膨脹係數極小,隨溫度上升而增高,如在-38.8℃時為0,0℃時為5.6×10-7;在純氧中燃點為720~800℃,在空氣中為850-1000℃,在絕氧下2000-3000℃轉變為石墨。

金剛石穩定性

結構結構
金剛石化學性質穩定,具有耐酸性和耐鹼性,高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用,只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融體中,或與K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸時,表面會稍有氧化;在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高溫氣體中腐蝕。
金剛石還具有非磁性、不良導電性、親油疏水性和摩擦生電性等。唯Ⅱb型金剛石具良好的半導體性能。根據金剛石的氮雜質含量和熱、電、光學性質的差異,可將金剛石分為Ⅰ型和Ⅱ型兩類,並進一步細分為Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四個亞類。Ⅰ型金剛石,特別是Ⅰa亞型,為常見的普通金剛石,約占天然金剛石總量的98%。Ⅰ型金剛石均含有一定數量的氮,具有較好的導熱性、不良導電性和較好的晶形。Ⅱ型金剛石極為罕見,含極少或幾乎不含氮,具有良好的導熱性和曲面晶體的特點。Ⅱb亞型金剛石具半導電性。由於Ⅱ型金剛石的性能優異,因此多用於空間技術和尖端工業。

世界上最大的工業用金剛石和寶石級金剛石都超過3100克拉(1克拉=200毫克)。其中寶石級金剛石的尺寸為10×6.5×5厘米,名叫“庫利南”,1905年發現於南非的普雷米爾岩管。中國常林鑽石,重158.786克拉,於1977年被山東臨沭縣常林大隊女社員魏振芳發現,後列為世界名鑽。世界金剛石主要產地有南非、澳大利亞、薩伊、波札那、俄羅斯。

結構性質

鑽石晶體中,碳原子按四面體成鍵方式互相連線,組成無限的三維骨架,是典型的原子晶體。每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵,構成正四面體。由於鑽石中的C-C鍵很強,所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成,沒有自由電子,所以鑽石不僅硬度大,熔點極高,而且不導電。在工業上,鑽石主要用於製造鑽探用的探頭和磨削工具,形狀完整的還用於製造手飾等高檔裝飾品,其價格十分昂貴。
鑽石的摩氏硬度為10;由於在自然界物質中硬度最高,鑽石的切削和加工必須使用鑽石粉來進行。鑽石的密度為3.52g/cm3,折射率為2.417,色散率為0.044。

硬度

摩氏硬度10,新摩氏硬度15,顯微硬度10000kg/mm2,顯微硬度比石英高1000倍,比剛玉高150倍。金剛石硬度具有方向性,八面體晶面硬度大於菱形十二面體晶面硬度,菱形十二面體晶面硬度大於六面體晶面硬度。
依照摩氏硬度標準(Mohshardnessscale)共分10級,鑽石(金剛石)為最高級第10級;如小刀其硬度約為5.5、銅幣約為3.5至4、指甲約為2至3、玻璃硬度為6。
等級1滑石
等級2石膏
等級3方解石
等級4螢石
等級5磷灰石
等級6正長石
等級7石英
等級8黃玉
等級9剛玉
等級10鑽石
把任何兩種不同的礦物互相刻劃,兩者中必定會有一種受到損傷。有一種礦物,能夠劃傷其他一切礦物,卻沒有一種礦物能夠劃傷它,這就是金剛石。
金剛石為什麼會有如此大的硬度呢?
直到18世紀後半葉,科學家才搞清楚了構成金剛石的“材料”。如前所述,早在公元1世紀的文獻中就有了關於金剛石的記載,然而,在其後的1600多年中,人們始終不知道金剛石的成分是什麼。
直到18世紀的70至90年代,才有法國化學家拉瓦錫(1743~1794)等人進行的在氧氣中燃燒金剛石的實驗,結果發現得到的是二氧化碳氣體,即一種由氧和碳結合在一起的物質。這裡的就來源於金剛石。終於,這些實驗證明了組成金剛石的材料是碳。
知道了金剛石的成分是碳,仍然不能解釋金剛石為什麼有那樣大的硬度。例如,製造鉛筆芯的材料是石墨,成分也是碳,然而石墨卻是一種比人的指甲還要軟的礦物。金剛石和石墨這兩種礦物為什麼會如此不同?
這個問題,是在1913年才由英國的物理學家威廉·布拉格和他的兒子做出回答。布拉格父子用X射線觀察金剛石,研究金剛石晶體內原子的排列方式。他們發現,在金剛石晶體內部,每一個碳原子都與周圍的4個碳原子緊密結合,形成一種緻密的三維結構。這是一種在其他礦物中都未曾見到過的特殊結構。而且,這種緻密的結構,使得金剛石的密度為每立方厘米約3.5克,大約是石墨密度的1.5倍。正是這種緻密的結構,使得金剛石具有最大的硬度。換句話說,金剛石是碳原子被擠壓而形成的一種礦物。

光學性質

(1)亮度(Brilliance)金剛石因為具有極高的反射率,其反射臨界角較小,全反射的範圍寬,光容易發生全反射,反射光量大,從而產生很高的亮度。
(2)閃爍(Scintillation)金剛石的閃爍就是閃光,即當金剛石或者光源、觀察者相對移動時其表面對於白光的反射和閃光。無色透明、結晶良好的八面體或者曲面體聚形鑽石,即使不加切磨也可展露良好的閃爍光。
(3)色散或出火(Dispersionorfire)金剛石多樣的晶面象三稜鏡一樣,能把通過折射、反射和全反射進入晶體內部的白光分解成白光的組成顏色——紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等色光。
(4)光澤(Luster)剛石出類拔萃般堅硬的、平整光亮的晶面或解理面對於白光的反射作用特彆強烈,而這種非常特徵的反光作用就叫作金剛光澤。

分類情況

一般分類

金剛石金剛石
金剛石是在高溫高壓條件下的結晶體,是自然界最硬的礦物。其名稱來源於希臘文“Adamas”,意為堅硬無敵。金剛石是一種稀有、貴重的非金屬礦產,在國民經濟中具有重要的作用。金剛石按用途分為兩類:質優粒大可用作裝飾品的稱寶石級金剛石,質差粒細用於工業的稱工業用金剛石。

寶石級金剛石,又稱鑽石,光澤燦爛,晶瑩剔透,被譽為“寶石之王”,價值昂貴,是世界公認的第一貨品,其占有程度和消費水平往往被視為是衡量個人和國家經濟富裕程度的標誌。達不到寶石級的金剛石(工業用金剛石),以其超硬性廣泛用於機電、光學、建築、交通、冶金、地勘、國防等工業領域和現代高、新技術領域。

金剛石按所含微量元素可分為Ⅰ型金剛石和Ⅱ型金剛石兩個類型。Ⅰ型金剛石多為常見的普通金剛石。Ⅱ型金剛石比較罕見,僅占金剛石總量的1%~2%。Ⅱ型金剛石因常具有良好的導熱性、解理性和半導體性等,多用於空間技術和尖端工業。具微藍色彩的優質大粒Ⅱ型金剛石視為鑽石中之珍品,如重3106ct(Carat,克拉)世界著名的“庫利南”鑽石,即屬此類。

按照用途,金剛石原石可分為工業級金剛石(工業鑽)和寶石級金剛石(鑽石原石或鑽石毛坯)。
從加工的角度,寶石級金剛石又可以分為顆粒鑽、可鋸鑽。已經鋸開的寶石級金剛石毛坯則稱為已鋸鑽。
寶石級金剛石原石或毛坯又稱為鑽石原石或鑽石毛坯。
寶石級金剛石:晶體較完美,無色、淺黃或色彩鮮艷,透明度高,無或者含較少裂隙和雜質。
工業級金剛石:是指顏色、晶形很差,含有各種缺陷不能用來加工成寶石的金剛石原石。常用作刀具、鑽具、研磨料、拉絲模、硬度計壓頭、鋸片、光學精密儀器及修整器等。

礦物學分類

金剛石金剛石
1類。晶體具有八面體形態,晶面平整均勻,或者帶有台階狀發育特徵,但生長平面都是(111)面,很少觀察到理想的(100)平面;晶體是透明的,它們沒有帶狀結構,大多數為無色,但常見淡黃色;氮以單位原子形態類質同晶地取代碳,具有順磁性,以及產生及收光譜N3系的中心,特別是它決定了晶體的黃色及藍色發光作用。
2類。基本形態為立方體;晶體是透明的,沒有現帶狀結構;順磁中心的單原子態氮雜質含量比較高,這些中心均勻地分布在整個晶體中間,常常顯示黃色及橙黃色的光致發光。
3類。金剛石中有立方形和少數聚形晶體,其特徵是形成平面的和不規則的連生體,以及服從從尖晶石律的穿插雙晶體;晶體半透明,無色或者在不同程度上的灰色的,或者幾乎是黑色的不透明金剛石,內部結構複雜,中心有無色透明區帶,在外部有顯微包裹體;第三類晶體都是I型金剛石,富集氮雜質,在紅外吸光譜中看到了附加譜帶。
4類。被稱為有殼的金剛石,因為晶體的外層一般是混濁的乳白色,淺灰色或不同程度染有黃色或綠色,而核心通常是透明的晶體,具有第一類晶體的同樣特點,在帶色的外層里常有含量較高的順磁態氮雜質。
5類。是深色或完全黑色的金剛石,其顏色決定於晶體外層中大量的同生石墨包裹體,晶體的中間部分是透明無色的。6類。具有放射狀條紋結構的球粒金剛石,稱為巴拉斯,是金剛石中稀有的結晶形態,一般為完全規則的球形,但也有滴狀或梨形,大多數表面有特殊花紋,巴拉斯有無色的,淺灰色的及完全黑色的,其中也有些乳白色,蛋白色的。
7類。半透明金剛石晶體的連生體,晶體本身通常是淺黃,有裂紋及石墨包裹體等缺陷而成半透明,組成這些連生體的晶體生長形態是八面體。
8類。屬博特類,是大量晶面較好,尺寸大體相同的小晶體的集合體。連生體總的形狀是橢圓形或球形,很像小晶體的閉塊晶簇。組成連生體的各單體生長形態為八面體,常常有台階狀晶面結構,這造成了假菱形十二面體的發育。
9類。亦屬博特類。這類全晶粒質金剛石連生體為不規則的塊狀,組成它們的顆粒很易區分,沒有規整的晶形,集合體不透明,呈深灰及全黑,有時是不均勻的粒狀結構。
10類。屬卡邦納多類,是隱晶或微晶體,具有不規則的塊狀或碎塊狀,一般的稜角多多少少是渾圓形,無粘結物,不透明具有各種顏色,通常,卡邦納多表面顏色更重要些,有時外部它們完全是暗色的,而內部是淺色的。

自然界狀

原生金剛石是在地下深外處(130--180Km)高溫(900--1300℃)高壓(45--60)&215;108Pa下結晶而成的,它們主要儲存在金伯利岩或鉀鎂煌斑岩中,其形成年代相當久遠。金伯利岩型鑽石產地,如南非金伯利礦,約形成於距今33億年前,這個年齡幾乎與地球同歲;而鉀鎂煌斑岩型的鑽石產地,如澳大利亞阿蓋爾礦、波札那奧拉伯礦,雖說年輕,也分別已有15.8億年和9.9億年了。藏於如此大的地下深處達億萬年之久的鑽石晶體要重見天日,得有助於火山噴發,熔岩流將含有鑽石的岩漿帶入至地球近地表處,或長途遷徒沉澱於河流沙土之中。前者形成的是原生管狀礦,後者形成的則為沖積礦。

開發簡史

人類對金剛石的認識和開發具有悠久的歷史。早在公元前3世紀古印度就發現了金剛石。自公元紀年起至今,鑽石一直是國家與王宮貴族、達官顯貴的財富、權勢、地位的象徵。世界金剛石礦產資源不豐富,1996年世界探明金剛石儲量基礎僅19億ct,遠不能滿足寶石與工業消費的需要。
20世紀60年代以來,人工合成金剛石技術興起,至90年代日臻完善,人造金剛石几乎已完全取代工業用天然金剛石,其用量占世界工業用金剛石消費量的90%以上(在中國已達99%以上)。
金剛石主要生產國為澳大利亞、俄羅斯、南非、波札那和薩伊等。世界鑽石的經銷主要由迪比爾斯中央銷售組織控制。
中國發現金剛石約在200-300年前,在明清朝之際(約17世紀),湖南省農民在河砂中淘到過金剛石。金剛石的地質勘查工作始於20世紀50年代。迄今,在中國發現的重量大於90ct的著名金剛石有6顆,如重約158ct的“常林鑽石”等。
中國金剛石礦產資源比較貧乏,通過近50年的地質工作,僅在遼寧、山東、湖南和江蘇4省探明了儲量。截至1996年底,中國保有金剛石儲量2089.78萬ct,在世界上不占重要地位。在質量上,中國遼寧省所產金剛石質地優良,寶石級金剛石產量約占總產量的70%。20世紀90年代以來,中國年產金剛石約10~15萬ct,遠不能滿足本國消費的需要。國家所需工業用金剛石99%以上依賴國產人造金剛石,1997年中國人造金剛石產量達4.4億ct,天然工業用金剛石所占消費比重極為有限。
金剛石礦石有岩漿岩和沖積礦兩類。已知含金剛石的母岩有金伯利岩、鉀鎂煌斑岩和榴輝岩3種,其中金伯利岩型和鉀鎂煌斑岩型具有工業意義。
據英國《每日鏡報》2012年9月17日報導,俄羅斯克里姆林宮宣稱,西伯利亞地區發現的一處小行星碰撞形成的彈坑中蘊藏豐富鑽石資源,儲存量之大可持續開發長達3000年。這個彈坑名為波皮蓋坑,直徑約合100公里,裡面蘊藏的鑽石達數萬億克拉,超過全世界現有的鑽石儲量。據介紹,波皮蓋坑之所以這么多年來一直沒得到開發,是因為蘇聯時代人們把更多精力耗費在了打造人造寶石上。鑽石專家根納迪·尼基汀指出,“這些鑽石儲量之大讓人震驚,對它們的開發會給鑽石市價帶來什麼樣的影響,目前尚不清楚。”根納迪補充說,與製造珠寶首飾相比,這些鑽石的價值將更多的體現在工業用途中。

用途

慢性毒藥

金剛石鋸片金剛石鋸片
當人服食下金剛石粉末後,金剛石粉末會粘在胃壁上,在長期的摩擦中,會讓人得胃潰瘍,不及時治療會死於胃出血,是種難以讓人提防的慢性毒劑。文藝復興時期,用金剛石粉末製成的慢性毒藥曾流行在義大利豪門之間。

工業用途

地質鑽頭和石油鑽頭金剛石、拉絲模用金剛石、磨料用金剛石、修整器用金剛石、玻璃刀用金剛石、硬度計壓頭用金剛石、工藝品用金剛石。

若塗在音響紙盆上,音箱音質會大為改善。

觀賞寶石

鑽石由於折射率高,在燈光下顯得閃閃生輝,成為女士最愛的寶石。巨型的美鑽可以價值連城。而摻有深顏色的鑽石的價錢更高。目前最昂貴的有色鑽石,要數帶有微藍的水藍鑽石

鑽石分為一型和二型兩種,這主要是根據它是否含有N元素:一型含;二型不含。而藍色的鑽石是二B型的,是半導體。

鑑別

簡介

在社會對珠寶鑽石需求增加的情況下,人造鑽石和其它冒充鑽石不斷充擴市場,甚至有些珠寶經營者也分不清楚。下面介紹幾種簡單鑑別鑽石真偽的方法。

鑽石的單折光性

鑽石的單折光性,是由於鑽石的本質特性決定的。而其它天然寶石或人造寶石大都是雙摺光性的。冒充的鑽石在10倍放大鏡觀察下,從正面稍斜的角度看,很容易看出稜角線出現重疊影像,並同時呈現出兩個底光。雙折射率差別小的如鋯石等,也可看出底光重疊的影像。

鑽石的吸附性

鑽石對油脂及污垢有一定的親和力,即油污很容易被鑽石吸附。因此,用手指撫摸鑽石會感到膠粘性,手指似乎有粘糊的感覺。這是任何寶石所沒有的。這種方法需要加以訓練方能掌握其中微妙的區別。

一線直落的特徵

鑽石表面拋光很光滑。用一支鋼筆蘸上墨水在鑽石上划過,若是真鑽石,表面留下的是一條光滑連續的線條,特徵是一線直落。仿冒品留下的是一個個小圓點組成的線條。用此法觀察應藉助放大鏡。

特有的金剛光澤

大致在100度的白熾燈光下,切磨很好的鑽石與仿冒品相互比較,很容易看出哪個具有金剛光澤。此方法不宜在過暗或過強的燈光下是進行。

歷史

金剛石金剛石
美麗的東西必難求,就像鑽石總是與毒蛇共生一樣。聽聽古羅馬的著名哲學家普林尼(Pliny)給您帶來的鑽石之谷的故事。
相傳公元前350年,馬其頓國王亞歷山大(Alexandera)東征印度,在一個深坑中發現有鑽石,但深坑內有許多毒蛇守護著,這些毒蛇可以在數丈遠的地方就使人斃命。亞歷山大命令士兵用鏡子折光(聚光),將毒蛇燒死,然後把羊肉扔進坑內,坑中的鑽石就粘在羊肉上面,羊肉引來了禿鷹,禿鷹連羊肉帶鑽石吃進腹內飛走後,士兵跟蹤追殺禿鷹得到了鑽石。從此傳說毒蛇是金剛石的守護神。

毒蛇真是上帝派來守護金剛石的嗎?與蛇共舞,其實靠的還是金剛石的獨特魅力,這就是金剛石特有的螢光現象。金剛石受X光或者紫外線的照射後會發光,特別是在黑暗的地方或夜裡會發出藍、青、綠、黃等顏色的螢光。我國古時候稱有這種特性的金剛石為“夜明珠”。印度木夫梯里附近深谷中的金剛石,白天受到太陽紫外線照射後,夜裡會發出淡青色的螢光。這些螢光吸引了許多有趨光性的昆蟲飛來,昆蟲又引來大量的青蛙,青蛙又招來許多毒蛇。環環相扣,這就是有金剛石的深谷中多毒蛇的原因。
直到19世紀中葉,人們還把金剛石視為一種神奇的石頭。在已知的全部大約4200種礦物中,金剛石為什麼會最堅硬?金剛石是在何地、如何產生出來的?所有這些,當時的人們還都全然不知。
人類同金剛石打交道有悠久的歷史。早在公元1世紀,當時羅馬的文獻中就有了關於金剛石的記載。那時,羅馬人還沒有把金剛石當做裝飾用的寶石,只是利用它們無比的硬度,當做雕琢工具使用。
後來,隨著技術的進步,金剛石才被當作寶石用於飾品,而且價格越來越昂貴。到了15世紀,在歐洲的一些城市,如巴黎、倫敦和安特衛普(比利時北部城市)等,已經能夠看到一些匠人利用金剛石的粉末來研磨大塊金剛石,對金剛石進行加工。
金剛石作為寶石越來越昂貴,然而,對金剛石的科學研究卻相對比較遲緩。一個重要原因就是,長期以來始終未能發現儲藏有金剛石的“礦山”,已經發現的金剛石全都是在印度和巴西等地的河沙及碎石中靠運氣採集到的,數量極少,十分稀罕。特別是高品質的金剛石,極其昂貴,只有王公貴族才享用得起。對如此昂貴的金剛石進行研究,在那樣一種情況下,幾乎是不可能的。
進入19世紀,情況才有了變化。1866年,住在南非一家農場的一位叫做伊拉茲馬斯·雅可比的少年在奧蘭治河灘上玩耍,無意中撿到一塊重達21.25克拉(4.25克。克拉,寶石的重量單位,1克拉=0.2克)的金剛石原石。那粒金剛石立即被英國的殖民總督送到巴黎的萬國博覽會(1867~1868)上展覽,並取名為“尤瑞卡”(希臘語,意思是“我找到了”)。
聽到在南非發現金剛石的訊息,一時間有成千上萬的探礦者趕到奧蘭治河,形成了一股尋找金剛石的狂潮。其中有一對姓伯納特的兄弟,不久就非常幸運地在金伯利附近發現了一座金剛石礦。
發現金剛石礦意義十分重大,通過研究礦山的地質結構,便有可能知道在哪些地點有可能形成金剛石。

主要產地

如前面所介紹的,伯納特兄弟於1870年發現了金伯利金剛石礦。正是這一發現,使人們知道了在哪種岩石中有可能含有金剛石。
原來,那是一種在遠古時代的岩漿冷卻以後所形成的火山岩。接著,研究者又發現,在這種火山岩中除了金剛石,還含有被稱為石榴石和橄欖石的兩種礦物。因此,在那些出產石榴石和橄欖石的地點,找到金剛石礦的可能性就相對大。於是,石榴石和橄欖石就成為尋找金剛石的“指示礦物”。
根據指示礦物來尋找金剛石礦的方法並不是在哪一天突然發現的。上世紀70年代,美國史密森研究所的地球化學家約翰·賈尼在仔細研究了石榴石和金剛石之間的關係後發表了他的研究結果。但是,在那之前,即上世紀50年代,德比爾斯公司的地質人員早就根據指示礦物在世界各地尋找金剛石礦了。
世界各地都發現了金剛石礦。其中,澳大利亞、剛果、俄羅斯、波札那和南非是著名的五大金剛石產地。
美國麻薩諸塞大學的地球物理學家史蒂文·哈格蒂博士在1999年研究了世界各地含有金剛石的熔岩的年代,結果發現,這些含有金剛石的熔岩至少是在過去7個不同的時期在各地噴出的岩漿所形成的,其中最古老的熔岩則是在大約10億年前形成的。在這7個岩漿噴發時期中,以在非洲各地和巴西等地區於1.2億年前至8000萬年前噴出的岩漿中所含有的金剛石為最多。那時正值恐龍時代極盛期的中生代白堊紀。含有金剛石的熔岩,最晚的,是在2200萬年以前噴出的岩漿形成的。至於在那以後形成的熔岩中是否含有金剛石,則還無法肯定
1971年以來的二十年中,在中國陸續發現了幾顆50克拉以上和100克拉以上的金剛石,按發現時間的先後排列如下:
1.1971年9月25日,在江蘇省宿遷公路旁發現一顆重52.71克拉的金剛石。
2.1977年12月21日,在山東省臨沭縣常林大隊,女社員魏振芳發現1顆重158.786克拉的優質巨鑽,全透明,色淡黃,可稱金剛石的“中國之最”。被命名為“常林鑽石”
3.1981年8月15日,在山東郯城陳埠發現一顆124.27克拉的巨粒金剛石。被命名為“陳埠一號”。
4.1982年9月,在山東郯城陳埠發現一顆96.94克拉的金剛石。
5.1983年5月,在山東郯城陳埠發現一顆92.86克拉的金剛石。
6.1983年11月14日,在山東蒙陰發現一顆119.01克拉的巨粒金剛石,被命名為“蒙山一號”。蒙陰金剛石礦是全國最大的原生礦。
據1987年資料,中國主要金剛石成礦區有:①遼東—吉南成礦區,有中生代和中古生代兩期金伯利岩。②魯西、蘇北、皖北成礦區,下古生代可能有多期金伯利岩。③晉、豫、冀成礦區,已在太行山、嵩山、五台山等地發現金伯利岩。④湘、黔、鄂、川成礦區,已在湖南沅水流域發現了4個具工業價值的金剛石砂礦。
湖南金剛石,產於湖南省常德丁家港、桃源、黔陽等地。湖南金剛石以砂礦為主,主要分布在沅水流域,分布零散,品位低,但質量好,寶石級金剛石約占40%。相傳在明朝年間,湖南沅江流域就有零星的金剛石發現,大規模的尋礦則始於二十世紀五十年代。沅江整個水域均有金剛石分布,但有開採價值的僅常德丁家港、桃源縣車溪沖、漵浦縣(黔陽)新莊壠、沅陵縣窯頭等4處。
湖南金剛石的顏色深淺不一,內外顏色差異明顯,呈帶狀、斑狀分布。其褐色系列金剛石,晶體呈黃褐色,內部潔淨,表面有大量的褐色斑點,其褐斑的顏色有黃色、黃褐色、褐色、黑色等,主要分布在金剛石的溶蝕面上,褐色主要由自然界放射性粒子的輻照造成。金剛石總體顆粒小,但質地較好,以單晶為主,約占總產量的98%;晶體比較完整,以八面體、十二面體、六八面體為多;絕大多數晶體淺色透明或呈黃、褐色等;粒重多小於28mg,一般為10.9~15mg;22%晶體中含包裹體;60%的晶體表面有裂紋,表面溶蝕不重。

石墨

石墨和金剛石都屬於碳單質,他們的化學性質完全相同,但金剛石和石墨不是同種物質,它們是由相同元素構成的同素異型體。所不同的是物理結構特徵。
二者的化學式都是C。
石墨原子間構成正六邊形是平面結構,呈片狀。
金剛石原子間是立體的正四面體結構。
金剛石和石墨的熔點比較
金剛石的熔點是3550℃,石墨的熔點是3652℃~3697℃(升華)。石墨熔點高於金剛石。
從片層內部來看,石墨是原子晶體;從片層之間來看,石墨是分子晶體(總體說來,石墨應該是混合型晶體);而金剛石是原子晶體。石墨晶體的熔點反而高於金剛石,似乎不可思議,但石墨晶體片層內共價鍵的鍵長是1.42×10-10m,金剛石晶體內共價鍵的鍵長是1.55×10-10m。同為共價鍵,鍵長越小,鍵能越大,鍵越牢固,破壞它也就越難,也就需要提供更多的能量,故而熔點應該更高。(主要就是石墨的原子晶體屬性導致它的熔點變高)

人造石

人工合成金剛石的方法主要有兩種,高溫高壓法及化學氣相沉積法。
高溫高壓法技術已非常成熟,並形成產業。國內產量極高,為世界之最。
化學氣相沉積法仍主要存在於實驗室中。
二氧化碳逆轉變成金剛石:國內一家單位宣稱傳在440度的低溫下即可實現這一轉變,然而相關論文一經發表即遭到他國相關領域專家的強烈質疑,而且論文存在一稿多投的現象,文中數據也有嚴重不妥。雖然相關人員在相關學術刊物中進行了答疑,此科研成果還是被質疑是國內科研造假又一案例。但是最終不了了之。

納米金剛石

納米材料的出現引起世界各國物理學家、化學家、材料學家及工程界、產業界廣泛注意的新材料。本文對納米材料的通性、金剛石的基本性質、納米金剛石的性質與套用前景、燒結型納米PCD的聚結機理及性質進行闡述,提示了納米金剛石聚晶具有金剛石的納米材料的雙重特性,提出了製造納米金剛石聚晶的可能性。
納米材料,具的1—100nm的納米尺寸結構,正是由於這種結構,使得它具有單個分子和體相材料之間的特殊性。這些年來,人們對納米材料的研究已經滲透到許多研究領域。由於其所具有的特殊結構和性質以及廣闊的套用前景越來越受到人們的廣泛關注。納米結構材料的研究已成為跨世紀材料學的研究熱點,這種材料被譽為:“21世紀最有前途的功能材料”。
納米材料的性質——納米物質之所以表現出這些奇異的性能,主要是由於物質進入納米尺度後表現出了一些巨觀物質不具備或在巨觀物質中可忽略的物理效應。根據人們對納米顆粒的研究,這些效應主要有表面效應,量子尺寸效應,小尺寸效應,巨觀量子隧道效應等。

開採加工

金剛石礦體歷經艱辛開採後,還需經過多道處理遴選,才可從中獲得毛坯金剛石。毛坯金剛石中僅有20%左右可作首飾用途的鑽坯,而大部分只能用於切割、研磨及拋光等工業用途上。有人曾粗略地估算過,要得到1ct重的鑽石,起碼要開採處理250噸礦石,採獲率是相當低的;如果想從成品鑽中挑選出美鑽,那兩者的比率更是十分懸殊的了。

鍍前處理

簡介

金剛石是目前發現的硬度最高、鋒利性較好的磨粒。採用電鍍的方法將金剛石磨料“電鍍”在金屬基體上,代替傳統的壓鑄燒結法,不僅投資少、成本低,而且避免了在高溫情況下金剛石的氧化,保證了金剛石的硬度和鋒利性。
在整個電鍍金剛石過程中,90%以上的電鍍層結合不良是由於鍍前處理不良所致。因此,要提高電鍍質量,最主要的是做好鍍前處理。
鍍前處理的內容大致包括:除油、防鏽、浸蝕、酸洗、活化清洗以及加輔助電極和裝掛等。
為了提高鍍層質量,經過對國內外的電鍍行業情況進行分析和比較,結合實際,制定了鍍前處理新工藝流程如下:去毛刺清洗塗絕緣膠擦洗化學除油熱、冷水沖洗酸洗冷水沖洗電化學除油沖洗陽極處理沖洗入槽。
1.去毛刺用砂紙和手銼將工件上的毛刺除去,防止工件表面呈現介電的不良狀態。
2.清洗用酒精將工件擦洗一遍,初步清除工件表面的油污。
3.塗絕緣膠將擦洗後的工件,在非鍍部位上塗一層快速粘合劑,使非鍍部位絕緣。
4.擦洗為了防止需鍍部位被塗上絕緣膠,用手銼或砂紙將該部位再打磨一遍,然後沖洗。
5.化學除油除油劑配方。
氫氧化鈉具有很強的皂化作用,與動植物油反應,生成可溶性飛皂和甘油。十二烷基硫酸鈉是一種表面活性劑,在其十二烷基疏水基團和硫酸根親水基團的協同作應下,降低了液體與工作之間的表面張力。它作為一種鹼液添加劑,加快了除油速度。碳酸鈉和矽酸鈉則是兩種緩衝劑對處來酸起緩衝作用,使融液的PH值基本上保持不變。將工件置於上述溶液中,在40℃~60℃的情況下清洗30分鐘左右。
6.熱,冷水沖洗先用熱水沖洗,在用冷書沖洗,避免除油液進入酸溶液中。
7.酸洗酸洗液配方,其目的是去除基體表面的氧化皮。
8.冷水沖洗酸洗後,將工件夾出,用冷水沖洗,然後裝掛到電化學除油槽內。
9.電花學除油電化學除油劑配方
把工作裝掛在此溶液內,接同點源,先陰級處理1分鐘,然後陽極處理3分種。所採用的電流密度為10A/dm2,電極為不鏽鋼板。電化學除油的反應如下:
陽級除油:4OH--2e=O2+H2O
陰極除油:2H++2e=H2
採用先陰後厭極的聯合除油法,具有去油速度快,無氫脆的優點。
10.沖洗將用電化學除油後的工件用書進性行沖細洗,準備竟行陽行處理。
11.陽極處理
陽極處理液配方見表4所示,將基體裝掛好,需鍍部位插入該液中。負極用鉛板,正極用基體。電流密度為25A/dm2,通電時間為3分鐘。陽級處理避免了產生氫脆的現象,尤其適合於入槽前的最後一道工序。
12.沖洗入槽將陽極處理完畢的基體快速進行沖洗後,放入電鍍槽中,準備電鍍。
至此,完成金剛石電鍍的整個鍍前處理。

實驗結果

實驗將試件分成五組,在不同的鍍前處理工藝流程下進行鍍前處理,然後在同一電鍍條件下入槽電鍍。各組試件具體處理條件。
試樣採用15152mm2的鐵片。實驗時,溫度為40℃1℃,電流密度為40MA/dm2,陽極為純淨的2鎳板,陰極為試件。
對電鍍完的試件進行結合力和脆性兩方面的檢驗。鍍層結合力檢驗是採用定性的實驗檢測方法即銼刀試驗法。所謂銼刀實驗法是指用銼刀由基體向鍍層方向成45o銼鍍層邊緣。如鍍層不被帶起或脫落,則為合格。
當結合力良好時,再進行鍍層的脆性檢驗。脆性檢驗採用的是彎曲法。彎曲法將試件夾在虎鉗上反覆彎曲,同時用放大鏡觀察彎曲部位的變化至出現第一條裂紋為止。
由表5的測量結果可知,採用新工藝,試件表面光潔性好,油污和氧化皮被除淨,試件呈現出良好的受鍍狀態。鍍層金屬與基體金屬間的結合力良好,鍍層的均勻性、完整性都較好。

結論

1.採用機械去毛刺、銼磨需鍍部位的方法,防止工件表面呈現介電的不良狀態;
2.將十二烷基硫酸鈉作為鹼添加劑,加強了基體表面的活性,去油速度快、質量好;
3.採用低溫去油,使基體不受熱應力影響;
4.在化學除油和酸洗後,又採用電化學除油和陽極處理,大大地改變了基體表面的狀態,提高了鍍液的分散能力和覆蓋能力,提高了鍍層的均勻性、完整性,增強了鍍層的結合力。

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