《金刚石工具手册》
第1篇 概论（第一次送审稿）
第1章 人造金刚石综述(方啸虎)
1.1 材料在国民经济中的作用
1.1.1材料在国民经济中的作用
众所周知，当今世界能源、材料、信息（含交通）是现代社会的、文明社会的三大支柱产业。我们还可以这样认为：所谓的能源，依托着煤炭、石油、核能，这些都可称之为能源材料；还有一部分能源，如水力发电，风能发电，地热利用等他也离不开一个一个载体，这些载体也是由材料所组成。更不用说信息（交通），没有那一项可以离开材料，所以说材料是万物之本！
实际上在人类进步的每个阶段，始终没有离开过材料。据有的科学家考证，100万年前就用石头做工具（旧石器时代），1万年前就开始用粘土烧结为陶器（新石器时代），4000-5000年前就有了青铜器（青铜器时代），3000年前就有了铁器（进入铁器时代），2000多年前中国就开始有了钢，特别是到了18-19世纪，各种钢、有色金属得到广泛的应用，19世纪末开始有了有机材料。凡此等等都在不断地推动着世界科学技术的进步，决定了国民经济的发展。
特别是上世纪七十年代开始，人们就把材料、信息、能源誉为当代文明的支柱。到了八十年代，一场新的技术革命来临，所谓信息时代来临，技术爆炸时代来临，人们更是把新材料、信息技术、生物生命科学合称为新的技术革命。所以说，经过历史长时间的积累，人们对材料学科在国民经济的发展作用，对人们生活的改善所起的作用，体会越来越深刻。
1.1.2金刚石在材料工业中重要地位
超硬材料起步较晚，但几十年来进步很快。已经成为材料学科不可忽视的重要组成部分。特别要指出的是这些年的发展，已经使超硬材料涉及到产业部门的方方面面。总的评价是，工程性应用已经得到广泛的认可和推广，功能性应用正在积极进展。
1）工程性金刚石的主要应用领域
所谓工程性应用，是因为金刚石是世界上至今来说还是世界上最坚硬的物质（几十年来也报导制得比金刚石更硬的物质，但始终未有产业化的商品），我们就是应用它这种特殊性能于工业领域。目前主要用于以下几个方面：
《金刚石、石墨和 C60》 讲义
一、引言
碳是一种非常神奇的元素，它在自然界中以多种形式存在，其中最常见且具有代表性的就是金刚石、石墨和 C60。这三种物质虽然都是由碳元素组成，但它们的性质和用途却大不相同。接下来，让我们一起深入了解它们。
二、金刚石
1、 结构特点
金刚石的结构可以用“坚固”来形容。它是由碳原子以正四面体的形式紧密排列而成，每个碳原子都与另外四个碳原子形成共价键，这种结构使得金刚石具有极高的硬度和稳定性。
2、 物理性质
金刚石是自然界中最硬的物质，这使得它在工业上有广泛的应用。它的折射率高，能够折射出璀璨的光芒，因此常被用于珠宝首饰。此外，金刚石的热导率极高，是良好的热导体。
3、 用途
（1）工业领域 由于其硬度，金刚石常被制成各种切割和磨削工具，如钻头、砂轮等。在地质勘探和石材加工等行业中发挥着重要作用。
（2）珠宝领域
经过精心打磨和切割的金刚石，成为了人们喜爱的珍贵珠宝，象征着永恒和爱情。
三、石墨
1、 结构特点
与金刚石不同，石墨中的碳原子呈层状排列，每一层中的碳原子以六边形的形式连接，层与层之间的结合力较弱，这使得石墨具有良好的导电性和润滑性。
2、 物理性质
石墨质地柔软，颜色呈灰黑色。它具有良好的导电性和导热性，同时还具有耐高温的特性。
3、 用途
（1）铅笔芯
石墨质地柔软，容易留下痕迹，因此被用于制作铅笔芯。
（2）电极材料
由于其良好的导电性，石墨常被用作电池和电解池的电极材料。
（3）润滑剂 层与层之间的弱结合力使得石墨能够在物体表面形成一层润滑膜，减少摩擦，常用于机械润滑。
四、C60
1、 结构特点
C60 是一种由 60 个碳原子组成的足球状分子，也被称为“富勒烯”。这种独特的结构使得 C60 具有一些特殊的性质。
2、 物理性质
C60 具有一定的导电性和光学性质，在一定条件下可以表现出超导性。
3、 用途
（1）材料科学
在材料领域，C60 被用于研发新型的超导材料、半导体材料等。
《金刚石、石墨和 C60》 讲义
一、引言
碳是一种非常神奇的元素，它可以以多种形式存在，其中最著名的当属金刚石、石墨和 C60。这三种物质虽然都是由碳元素组成，但它们的性质和用途却大不相同。接下来，让我们一起深入了解它们。
二、金刚石
金刚石是碳的一种同素异形体，也是自然界中最坚硬的物质之一。
1、 结构特点
金刚石中的碳原子以正四面体的结构排列，每个碳原子都与周围四个碳原子形成共价键，这种紧密的结构使得金刚石具有极高的硬度和稳定性。
2、 物理性质
金刚石具有出色的光学性质，它能够很好地折射和反射光线，因此常用于珠宝首饰中，如钻石。同时，它的导热性能也极佳，是良好的热导体。
3、 用途
由于其硬度极高，金刚石常被用于制造切割和磨削工具，如钻头、砂轮等。在工业领域，金刚石薄膜也被应用于高科技设备中。 三、石墨
与金刚石不同，石墨的性质要柔软得多。
1、 结构特点
石墨中的碳原子呈层状排列，层与层之间的结合力较弱，容易发生相对滑动。
2、 物理性质
石墨具有良好的导电性和润滑性。它的颜色通常为黑色，质地较软。
3、 用途
因其导电性能良好，石墨被广泛用于电池电极、电刷等。而其润滑性则使得它在机械工业中用作润滑剂。此外，石墨还常用于制作铅笔芯。
四、C60
C60 是碳元素的又一种奇妙存在形式。
1、 结构特点
C60 分子由 60 个碳原子组成，形状类似于一个足球，因此也被称为“足球烯”。
2、 物理性质
C60 具有独特的电学和光学性质，在材料科学领域具有潜在的应用价值。 3、 用途
目前，C60 在超导材料、纳米技术等方面的研究正在不断推进，有望为未来的科技发展带来新的突破。
五、三者的比较
1、 结构差异
金刚石的碳原子排列紧密且规整，石墨层状结构，C60 则是独特的足球状分子结构。
2、 物理性质差异
硬度方面，金刚石最强，石墨最软；导电性上，石墨良好，金刚石较差，C60 则有特定的电学性质。
检测方法 FT-IR，XRR，拉曼
这个方法是一个俄罗斯人首先提出的，由此可见俄罗斯人的确很牛。
这种方法可以合成大面积金刚石薄膜，大面积哦，这是由于现在可以得到很大规模的等离子
体，所以这种方法在研究领域可谓不可多得，只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。
CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我
们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度
和膜的性质作过探讨。但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺
等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。
金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、高
的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴迁
移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成P和N型的半导体。
金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。金刚石从真空紫外光波段到
远红外光波段对光线是完全透明的，因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好，可用作
红外光学窗口和透镜的保护性涂层。以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制仪器的光
学元件涂层。在工业制造领域，需要大量轻量化、高强度的材料，用具有高硬度、高耐磨性
的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性，而将金刚石薄膜直接
沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具，而且可以制备出具有复杂几何形状的金
刚石涂膜刀具，在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。金刚石在室温下具有最高的热
导率，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热
材料。金刚石能掺杂为P和N型的半导体,与现有半导体材料相比，具有最低的介电常数，
最高的禁带宽度，较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于Si半导
体,是替代Si的理想材料。它有可能用于制备微波甚至于毫米波段超高速计算机芯片，高电
