無(wú)定形碳也是有六角形碳環(huán)組成的平面原子網(wǎng)格，但沿著C軸的排列是無(wú)序的，而晶粒大小在50À以下。根據(jù)射線研究結(jié)果得知，無(wú)定形碳不是三維排列，即不是晶體結(jié)構(gòu)。

　　金剛石和石墨結(jié)構(gòu)截然不同，如果把金剛石的（111）面與石墨（0001）面聯(lián)系起來(lái)觀察可以看出他們之間的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系是無(wú)定形碳所沒(méi)有的在高溫高壓熔媒中并達(dá)到過(guò)飽和而析出金剛石。為了驗(yàn)證無(wú)定形碳向金剛石轉(zhuǎn)變是以哪種形式為主，我們選用了石油焦、無(wú)煙煤和碳黑進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

　　二 試驗(yàn)及其結(jié)果

　　1、石油焦的試驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)用的石油焦鑒于揮發(fā)份高，合成前經(jīng)過(guò)900°C的燃燒處理之后導(dǎo)電性有了大幅度的改善。用鎳-鉻-鐵熔媒進(jìn)行石油焦的合成實(shí)驗(yàn)，壓力在6.7GPa大氣壓，在金剛石生成溫度的范圍內(nèi)，合成十分鐘或更長(zhǎng)一段時(shí)間，用同樣的熔媒材料，即使是合成時(shí)間只有兩分鐘，也很容易獲得金剛石。為了查明第一次為什么沒(méi)有合成金剛石、第一次合成的石油焦按各種實(shí)驗(yàn)條件，分別作了X射線分析。

　　熔融的鎳-鉻-鐵能溶解石油焦，而溶解的碳在冷凝過(guò)程中會(huì)析出石墨，為了排除這一可能的情況，試驗(yàn)中采用了鉬片而不是鎳鉻鐵片。一次合成后，與鉬片接觸處石油焦的X射線分析結(jié)果比較，已經(jīng)開始石墨化。為了查清是否在接觸鉬片處才能被石墨化，且這一石墨化是否在一定的深度下進(jìn)行，經(jīng)這一合成體的正中部位進(jìn)行X射線分析。以上分析結(jié)果不難看出：（1）900°C煅燒石油焦沒(méi)有發(fā)現(xiàn)石墨化；（2）同一合成體的中間部位比兩端的石墨化要明顯，說(shuō)明在高壓下，即使在1400°C左右（溫度不太高），少量溫度差異（50°C-100°C）對(duì)石墨化的作用也是敏感的。

　　2、無(wú)煙煤、碳黑的實(shí)驗(yàn)

　　碳黑的水分含量高，合成前將兩種碳素經(jīng)過(guò)200°C烘干處理，由于這兩種碳素導(dǎo)電性差而采用間接加熱。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在相同的條件下，按石墨化不同的排列次序是：石油焦、無(wú)煙煤、碳黑；（2）無(wú)煙煤和碳黑向金剛石轉(zhuǎn)變的過(guò)程與石油焦完全相同，需要經(jīng)過(guò)石墨化階段；（3）就合成金剛石的效果來(lái)講，三種碳素中，以石油焦最好，碳黑為最次。

　　三、分析與討論

　　任何過(guò)程如果有多數(shù)矛盾存在的話，其中必定有一種是主要的，起著領(lǐng)導(dǎo)的、決定的作用。在無(wú)定形碳向金剛石轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，究竟是哪個(gè)因素起著決定性的作用呢？根據(jù)以上結(jié)果，可作出如下的分析和討論。

　　1.無(wú)定形碳的石墨化

　　非石墨化的碳經(jīng)過(guò)高溫處理，獲得石墨的過(guò)程叫做石墨化。

　　無(wú)定形碳除了上述提到的不具備石墨晶格外，就是那些不規(guī)則的六角碳環(huán)平面間距離，也與石墨不一樣。無(wú)定形碳層間距為3.44À，而石墨為3.35À。溫度愈高，無(wú)定形碳層間距愈接近石墨層間距。

　　因而，隨著石墨化的進(jìn)行，無(wú)定形碳的六角碳環(huán)平面或由這些平面組成的基團(tuán)，發(fā)生方位和位置的移動(dòng)，以求按石墨的六角平面對(duì)齊，縮短層間距離，構(gòu)成周期的三維空間石墨晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)還會(huì)有原子或平面基團(tuán)向石墨晶體上運(yùn)動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)完善和長(zhǎng)大。

　　在我們實(shí)驗(yàn)過(guò)的三種無(wú)定形碳中，第一次合成呈現(xiàn)石墨，而將這種碳素再次合成，結(jié)果就按照石墨化程度的優(yōu)劣獲得對(duì)應(yīng)情況的金剛石。說(shuō)明只有具備石墨結(jié)構(gòu)的碳素才容易獲得金剛石。

　　我們除進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)獲得直觀結(jié)果外，還進(jìn)行各種碳素在熔媒中的殘留物相分析，說(shuō)明在合成分析下無(wú)定形碳也能像石墨一樣融入熔媒中。當(dāng)然，我們也不簡(jiǎn)單地認(rèn)為所分析的熔媒中的殘留物就是高溫、高壓金剛石生長(zhǎng)條件下的真實(shí)物相。

　　從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變觀點(diǎn)看，無(wú)定形碳不能直接轉(zhuǎn)變成金剛石，而生成金剛石碳的初始結(jié)構(gòu)必須是石墨。但從溶劑和催化的觀點(diǎn)就很難解釋上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。眾所周知，同一類物質(zhì)粒度越細(xì)越容易溶解。無(wú)定形炭石墨的粒度要細(xì)的多，而且結(jié)構(gòu)雜亂，具有較大的表面能，無(wú)疑無(wú)定形碳本應(yīng)比石墨更容易溶解（實(shí)驗(yàn)也證明這一點(diǎn)）。既然如此，一次合成總該有金剛石，但結(jié)果并沒(méi)有得到。而且在三種碳素中，以碳黑純度最高，粒度最細(xì)，按溶解理論，它應(yīng)該是無(wú)定形碳中最好的碳源。但經(jīng)一次合成后它的石墨化程度最低，獲得金剛石的效果最次。因而，由實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明，在熔媒參與下由石墨轉(zhuǎn)變成金剛石的過(guò)程，是以結(jié)構(gòu)因素占主導(dǎo)：

　　用無(wú)定形碳合成金剛石的過(guò)程，為我們提供了下列幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

　?。?）無(wú)定形碳經(jīng)一次合成石墨化后，才具備了轉(zhuǎn)變成金剛石的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；

　?。?）無(wú)定形碳的石墨化過(guò)程，也就是石墨晶體長(zhǎng)大和完整的過(guò)程；

　?。?）在一次合成處理后的無(wú)定形碳中，凡石墨化程度高的合成金剛石的量就多，晶體也比較完整，純度也高；

　?。?）金剛石的晶形與碳素晶粒的形狀有關(guān)系。

　　2.金剛石晶體的生長(zhǎng)

　　雖然所獲得的金剛石晶粒大小與石墨力度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即粗晶粒石墨所長(zhǎng)出的金剛石也會(huì)粗一些，但絕不能以此為依據(jù)來(lái)機(jī)械地理解金剛石的生長(zhǎng)問(wèn)題。我們認(rèn)為，金剛石晶體的生長(zhǎng)可以通過(guò)以下幾個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　?。?）金剛石晶粒間的相互合并，在晶粒不太大,金剛石晶面的方位適合熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)允許條件下，其初生晶面是可以相互吞并的。

　?。?）在高溫高壓下，石墨的晶粒要長(zhǎng)大。以無(wú)定形碳為碳源，在高溫高壓下也要經(jīng)歷石墨化和晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程。

　?。?）石墨的單層六角環(huán)群或石墨晶體，也可以直接往金剛石晶面上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)熔媒的作用原理，在初生金剛石周圍總是伸著未成對(duì)的碳，這就是很好的現(xiàn)成界面。

　?。?）游離的碳原子往金剛石表面的“堆積”過(guò)程，也是金剛石晶體長(zhǎng)大的過(guò)程。

　　四、結(jié)論

　　由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析得知：

　　（1）無(wú)定形碳向金剛石轉(zhuǎn)變必須經(jīng)過(guò)石墨化，而且金剛石產(chǎn)量與石墨化程度有關(guān)，即石墨化程度好的，產(chǎn)量高；反之。則低。

　?。?）高溫高壓下無(wú)定形碳石墨化和石墨晶粒的長(zhǎng)大為其進(jìn)一步向金剛石轉(zhuǎn)變奠定了結(jié)構(gòu)和粒度基礎(chǔ)。

　?。?）要獲得強(qiáng)度高、晶粒大的金剛石，開展生產(chǎn)大晶粒石墨和提高石墨化程度的研究工作是有實(shí)際意義的。

　　參考文獻(xiàn)

　　1.Strong H M.J.Chem.Phys，1963(39):2057

　　2.Giardini A.A，Tydings JE.Amer.Mineralogist,1962(47):1393

　　3.芶清泉，高溫高壓下石墨變成金剛石的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化機(jī)理。吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1974（2）