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同样都是碳 为什么石墨质软而金刚石硬?

发表时间:2022-11-16 访问量:167

提起钻石,人们就会联想到光彩夺目、闪烁耀眼的情景,它随着拥有者的活动而光芒四射。但因它的昂贵价格,大多数人只能望而却步。尽管如此,人们对钻石还是很向往的。你知道钻石是什么吗?它的化学成分是碳(C),天然的钻石是由金刚石经过琢磨后才能称之谓 " 钻石 "。天然的钻石是非常稀少的,物以稀为贵,正因为可做 " 钻石 " 用的天然金刚石很罕见,人们就想 " 人造 " 金刚石来代替它,这就自然地想到了金刚石的 " 孪生 " 兄弟——石墨了。

金刚石和石墨的化学成分都是碳(C),科学家们称之为 " 同质多像变体 ",也有人称 " 同素异形体 "。从这种称呼可以知道它们具有相同的 " 质 ",但 " 形 " 或 " 性 " 却不同,且有天壤之别,金刚石是目前最硬的物质,而石墨却是最软的物质之一。

大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配比而制成的,石墨粉多则软,用 "B" 表示,粘土掺多了则硬,用 "H" 表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度,金刚石为 10,而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别那么大,关键在于它们的内部结构有很大的差异。石墨内部的碳原子呈层状排列,一个碳原子周围只有 3 个碳原子与其相连,碳与碳组成了六边形的环状,无限多的六边形组成了一层。

层与层之间联系力非常弱,而层内三个碳原子联系很牢,因此受力后层间就很容易滑动,这就是石墨很软能写字的原因。金刚石内部的碳原子呈 " 骨架 " 状三维空间排列,一个碳原子周围有 4 个碳原子相连,因此在三维空间形成了一个骨架状,这种结构在各个方向联系力均匀,联结力很强,因此使金刚石具有高硬度的特性。

石墨和金刚石的硬度差别如此之大,但人们还是希望能用人工合成方法来获取金刚石,因为自然界中石墨(碳)藏量是很丰富的。但是要使石墨中的碳变成金刚石那样排列的碳,不是那么容易的。

十八世纪后期,人们就开始寻找合成的途径,直至本世纪中叶。1938 年学者罗西尼通过热力学计算,奠定了合成金刚石的理论基础,算出要使石墨变成金刚石,至少要在 15000 个大气压、摄氏 1500 度的高温条件下才可以,到 50-60 年代建成了能达到上述条件的仪器装置。

石墨在 5-6 万大气压,即(5-6) x 103MPa,及摄氏 1000 至 2000 度高温下,再用金属铁、钴、镍等做催化剂,可使石墨转变成金刚石。目前世界上已有十几个(包括我国)均合成出了金刚石。但这种金刚石因为颗粒很细,主要用途是做磨料,用于切削和地质、石油的钻井用的钻头。当前,世界金刚石的消费中,80% 的人造金刚石主要是用于工业,它的产量也远远超过天然金刚石的产量。

现在,从空间站宇航员的防辐射面罩,南水北调工程巨型盾构机的钻头,CVT 变速器精密成型电镀砂轮的锋刃之上,中国制造的人造金刚石作为最锋利的 " 工业牙齿 ",揽下了一个又一个的瓷器活,为国内众多制造业企业突破技术瓶颈提供了 " 精良利器 "。


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