金刚石合成理论与工艺设计
关于人造金刚石的制备与合成
关于人造金刚石的制备与合成1目的与意义钻石,就是珠宝中的贵族,它通明剔透,散发着清冷高贵的光辉,颇有“出淤泥而不染的气质。
钻石亦被称为金刚石,就是自然界最坚硬无比的物质,人造金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝,在工业中也大有可为。
它硬度高、耐磨性好,可广泛用于切削、磨削、钻探;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;它有优良的透光性与耐腐蚀性,在电子工业中也得到广泛应用。
1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等6、金属结合剂磨具、电镀制品。
钻探工具或研磨等7、剧切、钻探及修正工具等[1]2设计基本原理石墨在一定的温度与压强下就是会发生结晶变态从而变成金刚石,且石墨的温度与压强要在金刚石的热稳定性区域内,其动力学要满足一定的关系。
3设计内容(方案)3、1原材料的选择金刚石就是石墨结晶变态产生的,其石墨就是主要原料,转变过程的反应压力与温度必须不低于190 000kg/cm2 与∽3900℃[2],这一推测的正确性已为实验所证实。
不过目前要得到这样高的压力与温度的设备就是非常困难的。
所以需要加入触媒材料来降低石墨的活化能。
3、2制备与合成方法3、2、1压力控制人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压,超压到90 MPa左右,再保压几分钟后卸压,完成一个工序,时问为几分钟到十几分钟。
可根据工艺要求任意设为多段,由现场人机界面随时输入修改。
加压闭环控制系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较,经过高级控制算法处理后,控制液压泵组与液压阀组的工作状态,使系统的压力工作状态跟踪给定压力工艺曲线。
被控对象油路压力就是由电动机带动增压器增压的,要求系统在几分钟内将油路压力从lO Pa 左右分几段提升到90 MPa左右,并且超调不能大于0.3 MPa。
金刚石的人工合成
金刚石的人工合成摘要：简要介绍了常见的人工合成金刚石技术，以及合成过程中的一些影响因素。
关键词：金刚石人工合成合成工艺影响因素前言金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。
为满足工业上的需求和缓解金刚石日益匮乏的现状,人类已经在合成金刚石方面作了许多的探索,并取得了许多有实用价值的阶段性成果。
金刚石中宝石级金刚石因其折射率大,在光下有火彩现象而用来制作精美的首饰。
人造金刚石具有诸多优异特性,已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。
例如:利用金刚石硬度大制作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。
因此,人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。
因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义[1].金刚石的人工合成工艺金刚石、石墨及无定型碳都是由纯碳元素组成，合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，将其他晶体结构的碳质材料在一定条件下转化为具有SP3 共价键的金刚石型晶体结构。
从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳素材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此石墨是合成钻石的最主要原料之一。
目前，人类已掌握了多种合成钻石方法。
人造金刚石的合成技术形成了静态高温高压法、动态超高压高温合成法、低压气相沉积法等[2]。
一般石墨在10GPa、3000℃左右可以转变成金刚石，如果加有金属触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5．4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。
常用的方法为合成条件较低的添加触媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。
这种方法中有生长磨料级金同q石(粒径小于1B)的膜生长法和合成宝石级金刚石(粒径大于lmm)的温度梯度法。
(1)膜生长法(FGM)金刚石膜生长法就是指在有金属触媒的参与下，石墨通过高温高压的作用透过金属膜沉积在金刚石核上使之长大[3]。
合成金刚石
d.火焰沉积法： 该法所用的碳源气体一般为工业乙炔气,助燃气为氧气.乙炔和氧 发生燃烧时产生的等离子体气流在基底表面沉积形成金刚石薄膜.该 方法可以在开放的大气条件下形成金刚石薄膜,并且设备简单,生长速 率快。 这种方法于20世纪80年代初期到中期在制备金刚石膜方面作为 一种独特的技术而得到一定程度的发展。在氧乙炔系统中,乙炔的流 量略高于氧气流量,火焰中(称为乙炔焰)含有高浓度的含碳激发态粒 子。如果将基片置于火焰中,金刚石膜将以200μｍ· ｈ-1的速率在其上 生长。氧乙炔燃烧法的主要缺点类同于等离子体炬,沉积面积较小,薄 膜的均匀性较差，冷却难度较大,杂质含量较高。
图3 CVD中反应气体激发示意图
图4 CVD金刚石沉积过程示意图
（1）反应气体的激发
①反应气体的选择 ②反应气体的裂化
①反应气体的选择
所有制备CVD金刚石薄膜的 CVD技术都要求反应气是能激发 含碳反应物的气相分子，反应气 可以是脂肪烃、芳香烃、醇以及 酮。烃的化学性质是关键性的。
②反应气体的裂化
高速飞行对机体材料尤其是飞机机头 部锥形的雷达罩材料提出了高要求。 金刚石薄膜以其优异的性能将在这方 便发挥重要作用。
表1 天然金刚石的物理化学性质
（1）力学性能 金刚石具有极其优异的力学性能，它是目前已知材料 中硬度最高的材料。现今，研究出来的金刚石薄膜的硬 度已经基本上达到天然金刚石的硬度，加之其低摩擦系 数，因此金刚石膜是优异的切削刀具，模具的涂镀材料 和真空条件下需要用的干摩擦材料。 金刚石摩擦系数低，散热快，可作为宇航高速旋转的特 殊轴承，加上它优良的抗辐射性能和碳原子在金刚石中 键能密度高于其他所有物质，因此能承受高能加速器内 接近光速移动的基本粒子的撞击，可以作为其控测材料， 它的高散热性，低摩擦系数和透光性，还可以作为军用 导弹的整流罩材料。
毕业论文毕业设计聚晶金刚石合成工艺
摘要本文在高温高压条件下，以粒度为5μm的金刚石微粉为原材料，采用液相烧结法制备了聚晶金刚石拉丝模坯，分别研究了烧结温度和烧结时间对其微观结构以及力学性能的影响，最后探讨了PCD拉丝模坯材料的烧结过程和机理。
结果表明：聚晶金刚石拉丝模坯的力学性能（磨耗比、维氏硬度）均随着烧结时间的增大先增加后降低，在烧结时间为180s时达到最大，烧结时间过短，其微观组织孔隙较大，烧结时间过长，金刚石石墨化严重；而在以烧结温度为变量的对比实验中发现，聚晶金刚石拉丝模坯的力学性能随着烧结温度的增加先变大后减小，在烧结温度为1550℃时达到最大，烧结温度过低，金刚石晶粒棱角分明，晶粒间隙较大，而烧结温度过高，晶粒发生异常生长。
所以，在压力为5.7GPa，温度为1550℃，烧结时间180s的条件下进行液相烧结得到的聚晶金刚石的力学性能最佳。
关键词：高温高压；聚晶金刚石；微结构；力学性能ABSTRACTIn this paper, the polycrystalline diamond was sintered under high temperature and high pressure with the diamond powders (5um) using liquid sintering method, and the effects of the sintering temperature and sintering time to the microstructure and the properties of the polycrystalline diamond were studied. The results showed that the mechanical properties (abrasion ratio, Vickers hardness) of polycrystalline diamond wire drawing die materials increased with the increasing of sintering time and sintering temperature firstly, and then decreases, and the mechanical properties (abrasion ratio, Vickers hardness) reached its maximum when the sintering time was 180s and 1550℃respectively, and the pores were more larger when the sintering time is too short, and the diamond graphitization more serious when the sintering time is too long；The grain angular and the grains gap was large when the sintering temperature was too low, while abnormal grain growth could be occurred when the sintering temperature was too high, Therefore, the polycrystalline diamonds with the most outstanding performance were sintered under the conditions of sintering time 180s, the pressure 5.7GPa, the temperature 1550℃. Keywords：High pressure and high temperature; Polycrystalline diamond; Microstructures; Mechanical properties目录1 绪论 (1)1.1拉丝模概述 (1)1.2拉丝模分类及发展状况 (2)1.3拉丝模的孔型结构 (6)1.4拉丝模的破坏及磨损研究 (8)1.4.1拉丝模的破坏形式 (8)1.4.2拉丝模的磨损 (10)1.5聚晶金刚石拉丝模坯材料的发展及研究现状 (14)1.6研究目的及意义 (17)2 实验过程及测试方法 (18)2.1实验材料及设备·································· (18)2.2PCD拉丝模的制备过程 (19)2.3实验测试方法与分析 (21)2.3.1扫描电镜及能谱分析 (21)2.3.2维氏硬度 (21)2.3.3磨耗比 (22)3 PCD拉丝模芯的合成工艺研究 (24)3.1烧结时间对力学性能的影响 (24)3.1.1烧结时间对显微维氏硬度的影响 (24)3.1.2烧结时间对磨耗比的影响 (26)3.2烧结温度对力学性能的影响 (27)3.2.1烧结温度对显微维氏硬度的影响 (28)3.2.2烧结温度对磨耗比的影响 (30)3.3PCD拉丝模坯的显微形貌及能谱分析 (31)3.3.1烧结时间对显微形貌的影响 (31)3.3.2烧结温度对显微形貌的影响 (32)3.3.3PCD拉丝模坯的能谱分析 (33)4PCD拉丝模坯高压烧结过程及机理 (35)4.1PCD拉丝模坯的烧结过程 (35)4.2PCD拉丝模坯的烧结机理 (36)5结论··································· (39)参考文献 (40)致谢 (42)1绪论1.1拉丝模概述拉丝模是拉制各种金属线材的重要工具。
金刚石的合成及宝石级金刚石单晶制备的基本技术
金刚石的合成及宝石级金刚石单晶制备的基本技术人造金刚石的合成基本原理是采用爆炸法、静压法、热压法和溶媒法等，在特制的炉内或容器内，借助于催化剂的作用，使碳处于超高压高温条件下，形成金刚石晶体。
宝石级金刚石单晶制备的基本技术如下：
1.提纯。
采用化学提纯和物理提纯两种方法，去除金刚石中的非金刚石杂
质，提高金刚石的纯度。
2.粒度分级。
采用选矿的方法，将金刚石按粒度分成不同等级。
3.晶体定向。
采用定向技术，使金刚石晶体沿一定的晶面和晶向生长。
4.形核衬底制备。
采用化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等方法，在
衬底表面制备形核衬底。
5.形核。
在衬底表面或内部形成金刚石晶核。
6.长大。
使金刚石晶核不断生长，直至获得宝石级金刚石单晶。
金刚石的合成机理
两合成片中间的石墨 a 合成温度稍低，大的片状 b 合成温度适中，适中片状 c 合成温度稍高，细小片状
3.催化剂合金中碳的浓度梯度
石墨电阻 0.1Ω•cm，合金电阻 10-6 Ω•cm 石墨是发热体，石墨局部温度高于合金片 温度，局部的温度梯度 在石墨和合金的界面有温度陡降，这导致 在合金中碳的浓度梯度。 M C
3.靠近金属膜的石墨形貌
高温高压下石墨相变成金刚石的过程中， 实验现象之一是：金刚石晶体外面有一层 厚度为几微米的金属膜，石墨通过金属膜 长到金刚石晶体上。 将金刚石去掉，金属膜用HNO3腐蚀掉，露 出靠近金属膜石墨形貌，如图。
靠近金属膜的石墨的形貌 a 靠近金属膜的石墨 b、 c、 d 是该石墨的逐渐放大像
区分：
高温高压下石墨在熔化的合金中再结晶的 形态
石墨在熔化合金中呈原子分散态，或很小 的碳原子集团的分布态，在合金冷却后， 由于碳过饱和结晶而析出的石墨形态。过 饱和析出的石墨呈单个球形。
合金中渗碳后的碳化物形貌 a 类奥氏体 b 类莱氏体
高温高压卸压后导致合金冷凝,石墨析出并结晶成球形, 生长位置在合金中靠近碳化物处,属温度较低位置
第五节 液晶态逐层转化说
自学
第六节 石墨再结晶与金刚石生 长
1. 2. 3. 4.
高温高压条件下石墨的再结晶 温度、压力对结晶石墨的影响 石墨-合金界面 金刚石的石墨再结晶生长模式
一、 高温高压条件下石墨的再结晶
1. 2. 3. 4.
多晶石墨的微结构 石墨未进入催化剂中的再结晶 催化剂合金中碳的浓度梯度 多晶石墨在催化剂合金内的再结晶
μ3
化 学 位
μ2
造成过饱和的原因是石 墨与金刚石在热力学上 的势差。解释如下：
高温高压合成金刚石的工艺
高温高压合成金刚石的工艺高温高压合成金刚石的工艺引言：金刚石是一种非常重要且广泛应用的超硬材料，具有出色的物理和化学性质。
高温高压合成金刚石工艺是目前制备金刚石的主要方法之一。
本文将介绍高温高压合成金刚石的基本原理、工艺流程以及对其进行的改进。
一、高温高压合成金刚石的基本原理高温高压合成金刚石是利用静压装置和高温炉对碳源和金属催化剂进行加热和压制，通过超高压和高温下，使碳与金属反应从而形成金刚石。
该过程主要依靠碳源的高温高压下的热学和动力学条件以及金属催化剂的催化作用。
二、高温高压合成金刚石的工艺流程1. 材料准备：准备金刚石合成所需的原料，主要包括碳源（例如石墨）、金属催化剂（如铁、钴）以及溶剂（如钴、霓虹气体）等。
2. 压制装备搭建：搭建静压装置，将所需材料置于高压容器中，并将容器密封。
3. 进行高温高压处理：通过扩散法和液相法制备金刚石，利用高温高压，将碳和金属催化剂反应生成金刚石。
4. 降温和压力释放：待金刚石合成完成后，将高温高压装置自然冷却，降温至室温，并释放容器内部压力。
5. 金刚石材料处理与加工：取出合成的金刚石材料，进行后续的形状修整、切割、抛光等处理。
三、高温高压合成金刚石的工艺改进1. 压制条件优化：通过改变压力、温度、时间等参数，优化合成金刚石的质量和产率。
2. 添加助熔剂：在高温高压过程中，添加助熔剂可以降低石墨结构中的晶界能量，从而促进金刚石的形成。
3. 催化剂设计：改进金属催化剂的种类和组成，提高合成金刚石的效率和质量。
4. 新型杂质控制：通过控制合成过程中的杂质含量和分布，减少合成金刚石中的缺陷和不纯物质。
5. 辅助技术应用：引入电磁场、超声波等辅助技术，提高金刚石合成的效果和速度。
四、高温高压合成金刚石的应用1. 工具领域：高速切削工具、磨料、磨具等。
2. 光学领域：窗口材料、透镜、激光器元件等。
3. 电子领域：半导体材料、电子器件、芯片加工等。
4. 超硬材料领域：用于加工高硬度材料的切削工具、磨料工具等。
金刚石生产工艺
金刚石生产工艺金刚石是一种坚硬耐磨、导热性能良好的超硬材料，广泛应用于工业领域。
金刚石的生产工艺主要有自然生长和人工合成两种方式。
自然生长的金刚石是通过地壳中的碳元素在高温高压下形成的，需要经过数亿年的时间才能形成。
自然形成的金刚石通常存在于金刚石矿床中，通过矿山开采后进行加工。
加工工序主要包括金刚石的分选、切割、成形、抛光等。
首先，金刚石原矿需要进行分选。
因为原矿中不同部位的金刚石质量和性能存在差异，所以需要对原矿进行分级，选取质量较好的石块进行下一步加工。
然后，通过切割将金刚石原块切割成适当形状的块体。
切割通常使用金刚石切割片，通过机械设备进行加工。
切割后的金刚石块体可以根据需要进一步加工成不同形状的工件。
接下来，金刚石块体需要进行成形。
成形通常使用金刚石磨具进行加工，通过切削、磨削等方式将金刚石块体加工成所需形状。
成形工艺需要严格控制温度、压力和切削速度等参数，以保证金刚石的质量和性能。
最后，金刚石工件需要进行抛光加工以提高光洁度和光亮度。
抛光通常使用金刚石磨料和液体磨料进行磨削，通过摩擦和多次精细加工，使金刚石表面光亮度得到提升。
除了自然生长的金刚石，还有人工合成的金刚石。
人工合成金刚石是通过模拟自然产生金刚石的条件，在实验室或工业环境中合成的。
人工合成金刚石的工艺主要有高温高压法、化学气相沉积法和聚结金刚石法等。
高温高压法是最早用于合成金刚石的方法，它模拟了地壳中金刚石形成的条件，通过碳源和金刚石晶种在高温高压条件下反应，从而形成金刚石晶体。
该方法需要较长的时间和高温高压设备，适用于大批量生产金刚石。
化学气相沉积法是一种在低温下合成金刚石的方法。
通过将气体中的碳源和金属催化剂反应，使金刚石晶体在衬底上沉积生长。
该方法生产周期短，适用于小批量生产金刚石薄膜。
聚结金刚石法是通过将金刚石微粉与金属粉末等混合物加热高温压制而成。
该方法可在常温条件下合成金刚石工件，适用于小规模和特殊形状的金刚石制品。
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前言
1.金刚石的性质和用途。
金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。
图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。
与其他材料相比，金刚石具有最大的原子密度（176 atoms/nm3），最大可能的单位原子共价键数目（4），极强的原子键合能（7.4eV）。
这使得金刚石具有许多极限性质：最高硬度，最高热导率，最高传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P型或N型半导体。
人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。
金刚石的推广应用在光学玻璃冷加图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图
工、地质钻探、瓷、汽车零件等机械加工，金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。
表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。
表1 金刚石的一些极限性能和用途
2．人造金刚石合成的历史
由于金刚石的优越性质，长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。
早在1772年，法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是CO2，1792年，S. Tennan发现金刚石是碳的一种结晶形态。
从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。
1880年，J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石，现列于大英博物馆。
1893年，诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法，用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融，然后用水急冷做了合成金刚石的尝试，后来经证实并未获得成功。
二十世纪四十年代，另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备（有的压力超过了5GPa），并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。
虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学的计算为高温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据。
1953年2月15日瑞典ASEA（General Electric Company of Sweden）的科学家宣称合成出人造金刚石，但由于其工作没有正式发表，没能获得广泛的承认，他们使用的是六面顶压机，样品由Fe3C和石墨组成。
人类首次真正合成金刚石是1954年12月16日美国GE公司的H.T.Hall, F.P.Bundy, H.M.Strong, R.H.Wentorf四位科学家率先完成，他们使用两面顶压
机合成了金刚石，样品由FeS和石墨组成。
GE公司的科学家继续研究使用金属触媒合成金刚石，金属触媒主要由九种Ⅷa族原子（Fe,Co,Ni,Ru,Th,Pd,Os,Ir,Pt）和三种过渡族金属（Mn,Cr,Ta）。
1961年，有人使用爆炸法使石墨直接转换成金刚石，1963年，GE公司首次在静态高压12Gpa下不使用任何触媒把石墨直接合成了金刚石。
1970年，GE公司的Strong和Wentorf首次合成出了宝石级大颗粒金刚石，压力和温度得到了精确的控制，碳源使用小颗粒金刚石晶体以防止石墨金刚石转化中的压力降低，晶种放在热区使碳源扩散到冷区形成新的金刚石核。
继美国、瑞典、前联和日本之后，我国在1963年成功地合成出了人造金刚石，成为早期能够合成金刚石的少数国家之一。
目前，磨料级金刚石的生产已经形成为一个庞大的产业，我国金刚石的生产总量已经超过世界其他国家的生产总和。
在低压合成金刚石方面，碳化物联合公司(Union Carbide Corp.)的W.G.Eversole于1952-1953年在低压下在金刚石籽晶上成功地生长了金刚石，并得到了重复结果。
几乎同时，瑞典人H.Liander于1953年合成了低压金刚石。
自1956 年起，联人B.Deryagin在低压合成金刚石方面进行了长期大量的工作。
开始于1974年的日本国立无机材料研究所的亚稳态金刚石生长研究开辟了金刚石低压合成的新时代。
其主要人员有N.Setaka、S.Matsumoto、M.Kamo、Y.Sato等。
自1982年始，他们发表了一系列文章，报道了用微波等离子体法(MPCVD)、直流放电等离子体法(dc-PACVD)、射频辉光放电等离子体法
(rf-PACVD)和热丝分解气体法(HFCVD)合成金刚石，速率达几μm/h，而且不需用金刚石籽晶；其反应气体由碳氢化合物及过量的氢气组成，并强烈依赖原子氢的产生。
这使得金刚石薄膜的制备技术进入了一个新阶段，并开始了金刚石作为功能性新材料应用的新时期。
3.人造金刚石的主要合成方法。
人造金刚石的合成方法有高压高温法和低压法，高压高温法分为间接静压法和直接动态法，低压法包括气象沉积法或亚稳定生长法。
其中间接静压法是一项成熟的制造技术，大约有90%的工业用金刚石采用这种方法合成，因为这种方法能够保证产品有可重复的尺寸、形状和韧性（或脆性）。
高压高温间接静压法合成金刚石用的触媒在形态上有两种，一种是片状触媒，一种是粉末触媒，它们与石墨碳源的形态相匹配。
使用片状触媒，相应的石墨也制成片状。
粉状触媒适用的石墨也是粉状的，二者经充分混合，压制成型后进行高压高温之合成。
4．金刚石中氮元素的存在状态。
由于碳、氮原子半径极为相近，所以氮很容易占据金刚石的晶体格点位置，取代碳原子，形成色心，所以大多数人造金刚石显黄色。
根据氮原子在金刚石中含量和取代形式，把金刚石分为：
1)Ia型金刚石
氮以聚集态形式存在。
大部分（98％）天然金刚石都属于Ia型。
根据氮的取代位置不同又分为：
IaA型：金刚石中氮杂质主要以替代式原子对存在；
IaB型：金刚石中氮杂质四面体形式存在；
2)Ib型：氮杂质以单一替代原子形式存在，金刚石含弥散的氮，呈黄色，人造金刚石主要属于此类。
3)IIa型：含极微量的氮
4)IIb型：含硼。
5．氮元素对金刚石的影响和引入意义。
金刚石中氮是最常见的微量杂质，而氮杂质作为天然金刚石和人造金刚石中的最主要的缺陷，直接决定着金刚石的大多光学性质，并对晶体本身的热学，电学和机械性质也有重要影响，从而影响到金刚石在工业发展和科学技术中的潜在用途。
在天然金刚石和高温高压合成金刚石中，杂质氮在晶格中的存在状态有明显不同，所以它们的某些物理化学性质也有较大差异，尤其是在颜色，硬度，热导率等方面差别显著，在天然金刚石合成机理方面，还存在一些争议，而对杂质氮更深层次的研究会有助于理解天然金刚石的合成机理。
在天然金刚石中，氮含量从小于1ppm到几千ppm之间都会存在，目前已知氮杂质最高含量可达3000～5000ppm，而用金属触媒人工合成出的金刚石中，杂质氮的最高含量大约800ppm。
H.Kanda 等在1999年利用非金属触媒硫酸钠在7.7GPa，2000℃合成出IaA型金刚石，其氮含量在1200～1900ppm，这在当时是人工合成的含氮量最高的金刚石。
到2002年，Y.Borzdov等利用非金属触媒Fe3N在7GPa,1550～
1850℃合成出IaA/Ib 混合型金刚石，氮含量在3300ppm 左右，已经接近自然界氮含量最高的天然金刚石。
第一章 金刚石合成的溶剂理论
自美国G.E.公司的科学家于1955年首次用金属催化剂与石墨在高温高压条件下（溶剂法）成功地合成出金刚石以来，人们又相继找到了一些其他的金刚石合成方法，如：爆炸法、气相合成等方法。
在经历了近半个世纪的关于金刚石合成的研究与探索中，人们发现：能够成功地造福于人类、可以进行大规模工业化生产的金刚石合成方法仍然是G.E.公司早期发明的溶剂法。
因此，有必要深入地研究溶剂法的合成机理，加深理论认识，以便进一步指导具体的生产实践。
在解释石墨如何向金刚石转化的机理问题中，曾出现过很多的理论。
其中具有代表性的有结构对应原理和溶剂理论。
由于溶剂说可以成功地解释为什么石墨在高温高压条件下的熔融金属中可以实现向金刚石的转化、金刚石的成核与生长等诸多的其他理论难以统一解释的机理性问题，因此溶剂学说在国际上获得了普遍的认可与接受。
1.1纯碳素体系中的石墨和金刚石的相平衡
金刚石与石墨是碳的同素异形体, 常压下石墨是稳定相(图-1.1)。
根据热力学理论，相的稳定与否可以由其所处的化学势的高低予以判定，处于化学势低的相是稳定相。
在碳的P-T 相图(图-1.1)的不同区域，金刚石与石墨的化学势成如下关系：
d g c c μμ<(D 区) (1)
d g c c μμ>(G 区) (2)。