金刚石合成理论及实用工艺
金刚石合成理论及实用工艺
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性能应用机械硬度（kg/mm2）金刚石5700~10400cBN 4700SiC 1875~3980用于所有非金属材料的超硬磨料图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图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。
金刚石合成的方法和特点
金刚石合成的方法和特点
金刚石合成的方法和特点如下：
方法：
1.高温高压法（HTHP）：以石墨粉、金属触媒粉末为原料，通过电流加热和液压装置建立高温、高压环境从而模拟天然金刚石结晶和生长环境，使石墨发生相变形成金刚石晶体。
2.化学气相沉积法（CVD）：在常压下，采用各种CVD技术（如微波辅助型、热丝型和直流型），将含碳气体（如甲烷）等渗入金刚石膜中，形成金刚石晶体。
特点：
1.高温高压法具有制造成本低、生产效率高的特点，是我国人造金刚石主要生产方法，但传压介质和原辅材料里的杂质会不断进入金刚石晶体中，形成各种缺陷，纯度不够理想，无法满足下游半导体和光学领域应用的高纯度要求。
同时受六面顶压机设备体积限制，金刚石的有效生长空间很难突破100mm，金刚石的晶体尺寸提升空间有限。
2.化学气相沉积法可以合成高质量的金刚石薄膜和自支撑型厚膜，克服了高温高压法合成金刚石晶体过程中原辅材料杂质对产品纯度的影响，同时可实现大面积合成金刚石薄膜，拓展了金刚石应用范围。
高温高压法合成金刚石的原理
高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石的原理引言金刚石是目前已知最坚硬的物质之一，具有极高的热导率、优异的化学稳定性和光学性能。
其在工业领域有着广泛的应用，如切割、磨削、钻石冶炼等。
早在20世纪50年代，科学家们就通过高温高压法成功地合成了金刚石，并对金刚石的合成原理进行了深入研究。
本文将详细介绍高温高压法合成金刚石的原理及其过程。
一、高温高压法合成金刚石的基本原理高温高压法合成金刚石是通过将高纯度的石墨置于高温高压环境中，在一定压力和温度条件下，使其发生相变转化为金刚石结构体。
其基本原理可以归纳为以下两个方面：1. 高压作用原理在高压下，石墨的层状结构发生变化，碳原子排列发生重组，形成更加紧密的结构，其中碳原子两两成对。
同时，高压还有利于碳原子间的共价键形成，促使石墨向金刚石的结构转变。
高压作用使得原有的石墨层结构中的芳香六元环断裂，重新构建出新的碳原子构型，形成金刚石的晶粒。
2. 高温作用原理高温下，由于碳与金属元素（如钴、铁等）有较好的相容性，这些金属元素在纯碳体系中具有催化作用，可以促进石墨向金刚石的相变。
此外，高温还可以提高反应速率，并减小金刚石晶核形成的能垒。
因此，高温作用在金刚石的合成过程中起到了至关重要的作用。
二、高温高压法合成金刚石的过程高温高压法合成金刚石的过程可以分为以下几个步骤：1. 制备金刚石晶体的种子层首先，需要在高温高压容器内的金刚石粉末层上制备金刚石晶体的种子层。
金刚石粉末的颗粒与金刚石晶种产生化学反应，形成金刚石表面晶体的结构。
种子层是金刚石晶体生长的起始核心，为后续金刚石的形成提供了必要的条件。
2. 加入高纯度石墨粉在高温高压容器中加入高纯度石墨粉末，使其与种子层接触。
石墨粉末需要达到足够高纯度，以保证金刚石晶体的纯度。
3. 施加高温高压施加高温高压条件，使得石墨发生相变，转化为金刚石晶体。
一般来说，需要施加高压数GPa（1 GPa=1亿帕）和高温约1500-2000摄氏度的条件。
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]。
不断发展的金刚石合成与应用技术2
不断发展的金刚石合成与应用技术在人类的历史长河中，金刚石一直是一种稀有的宝石，象征高贵、美丽、圣洁、，被皇室、宫廷和贵族作为瑰宝炫耀和珍藏。
人们构筑了神奇美丽的故事，从满了对他的画像和无比的爱慕。
世界上没有完人，散在物质世界，上帝却赐给人类一个美好的梦幻组合，-----金刚石。
因此，吸引了众多科学工作者的极大兴趣，并对其进行了不懈的探索。
后来，在实验室里终于发现，它是碳原子构成的，由此揭开了他神秘的面纱，打开了人们人工制造的闸门，经过近百年的艰苦探索，1954年美国通用电气公司宣告了在高温高压的条件下第一粒人造金刚石的研制成功，开始了工业生产金刚石的新纪元。
随着金刚石物性研究的深入，发现金刚石不仅硬度远超过其他所有的物质，更有许多其他的“第一”，包括抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力~~~~~~等等。
除此之外，金刚石的透光性、低热胀率、负阴电性，乃至与人体相溶度也是材料之最，因此可以认为，金刚石是上帝给人类的恩赐，它不仅是美丽宝石之王，更是材料之王，没有任何材料具有金刚石这么多的优越性质，其- 1 -中有许多极端性质。
例如，金刚石的硬度是碳化硅的3倍，耐磨性是氧化铝的5倍，抗压强度是碳化钨的20倍，传声速率是刚的3倍，传热率是银的4倍，电洞移动速率是硅的2.5倍。
金刚石还具有极高的电阻率、折射率、抗辐射性，极低的热膨胀系数、磨擦系数、比热值等，金刚石发挥个别特性已能产生其他材料所不能及的效果。
例如，以金刚石作为硅晶的散热片式，其超高的热传导率可使热量尽快排出；其高透光性也使热能辐射散出；其低的比热值可减少热能的积聚。
金刚石作为飞弹的雷达罩时，不仅雷达波进出自如，使映像不致失真，其耐磨性更可避免比子弹飞行还快的灰尘或雨点的冲蚀。
他的高热振性也可保护雷达罩在骤冷骤热时不会破裂等。
由于有这么多的优点，因此，工业金刚石具有广泛的用途，如下页图所示：- 2 -- 3 -金刚石的这些传奇应用并不是天方夜谭，各种金刚石产品已经应用于广泛的领域，更多的金刚石应用也真在开发中，毫无疑问，金刚石将成为工业、商业、军事、教育、娱乐及医学领域的宠儿。
人造金刚石生产工艺流程
人造金刚石生产工艺流程人造金刚石是一种人工合成的具有极高硬度和热导率的材料，广泛应用于切割、磨削和研磨等工业领域。
其生产工艺流程包括原料选择、合成、成长和加工等多个步骤。
原料选择是人造金刚石生产的第一步。
通常使用的原料是高纯度的石墨，通过石墨的高温高压合成来获得人造金刚石。
高纯度的石墨可以确保合成金刚石的质量和性能。
合成是人造金刚石生产的关键步骤。
合成金刚石的方法有多种，其中最常用的是高温高压合成法。
该法将石墨置于高温高压容器中，然后通过加热和施加高压使其发生化学反应，最终形成金刚石结构。
在合成过程中，需要精确控制温度、压力和时间等参数，以确保金刚石的合成效果和质量。
接下来是金刚石的成长过程。
合成金刚石的方式有两种：一种是单晶生长，另一种是多晶生长。
单晶生长是指在合成过程中，金刚石晶核逐渐生长并形成一个完整的单晶体。
多晶生长则是指金刚石晶核同时生长形成多个晶体。
不同的生长方式决定了金刚石的晶体结构和性能。
合成的金刚石需要进行加工。
加工的目的是将金刚石切割成所需的形状和尺寸，并进行表面处理以提高其性能。
加工工艺包括切割、磨削、抛光和镶嵌等步骤。
切割是指将合成金刚石切割成所需的形状，常用的切割工具有金刚石刀片和线锯等。
磨削是指对金刚石进行精细加工，以获得平滑的表面和精确的尺寸。
抛光是将金刚石表面进行处理，提高其光洁度和亮度。
镶嵌是将金刚石嵌入到合适的基座或工具中，以便于使用和固定。
人造金刚石的生产工艺流程是一个复杂而严谨的过程，需要精确的控制和操作。
每个步骤都对最终产品的质量和性能产生重要影响。
通过不断优化和改进工艺流程，可以获得更高质量的人造金刚石，满足不同领域的需求。
总结起来，人造金刚石的生产工艺流程包括原料选择、合成、成长和加工等多个步骤。
原料选择是选择高纯度石墨作为合成金刚石的原料；合成是通过高温高压合成反应得到金刚石；成长是金刚石晶核逐渐生长形成单晶或多晶体；加工是将金刚石切割、磨削、抛光和镶嵌等工艺处理，最终获得所需的金刚石制品。
人工合成金刚石的方法
人工合成金刚石的方法人工合成金刚石是一种人工制备的金刚石，通过一系列的化学和物理过程重新创造了自然界中存在的矿物。
金刚石是一种非常硬的材料，具有许多优异的物理特性，因此在工业领域有广泛的应用。
制备金刚石的方法有许多种，接下来我将详细介绍几种常用的人工合成金刚石的方法。
1.高温高压法高温高压法是最早且最常用的人工合成金刚石方法之一。
该方法是在高温（约1500℃）和高压（约5-7G P a）的环境下，将含有金刚石生成元素（如碳）的混合物放置在高压金刚石电池中，然后通过加热和施加高压来触发金刚石的生长。
高温高压法的主要原理是利用高温高压环境下的物质相变规律，使含碳原料中的碳发生转化，从而生成金刚石。
2.化学气相沉积法化学气相沉积法是另一种常用的人工合成金刚石的方法。
该方法通过在真空或轻微惰性气氛中，将含有金刚石生成气体的混合物（如甲烷和氢气）通过加热传送到底板上，通过化学反应使金刚石成核并生长。
化学气相沉积法的优点是可以在相对较低的温度和压力下制备金刚石，操作相对简单。
3.爆炸法爆炸法是一种较为特殊的人工合成金刚石的方法，它是通过在百万分之一秒的时间里产生极高的温度和压力来合成金刚石。
该方法通常使用硝酸铵和含碳原料（如石墨）作为混合物，在高温和压力下引爆混合物，从而产生极端的条件，促使金刚石的生成。
4.微波化学气相沉积法微波化学气相沉积法是近年来发展起来的一种人工合成金刚石的新方法。
该方法利用微波辐射加热金刚石生成混合物（如甲烷和氢气），使其在低温下发生化学反应生成金刚石。
相比于传统的化学气相沉积法，微波化学气相沉积法具有更高的效率和更低的能耗。
除了以上几种常用的方法外，还有其他一些方法也可以用于人工合成金刚石，如溶胶-凝胶法、火焰沉积法等。
这些方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。
无论哪种方法，人工合成金刚石的关键是要提供适当的温度、压力和化学环境，以促进金刚石的生成。
此外，控制金刚石的形状和大小也是制备过程中需要考虑的因素。
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。
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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性能应用机械硬度（kg/mm2）金刚石5700~10400cBN 4700SiC 1875~3980用于所有非金属材料的超硬磨料图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图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)d g c c μμ= (两相交界线) (3)(1)-(3)式表明，在石墨与金刚石两相平衡的条件下，石墨的化学势g c μ和金刚石的化学势d c μ相等，不存在相变的驱动力；在偏离平衡的条件、存在化学势差时，化学势高的相向化学势低的相转化。
石墨向金刚石转化的驱动力可由金刚石与石墨的化学势差表示为：(,)(,)(,)d g cc T P T P T P μμμ∆=- (4)''0(,)(,0)(,)PT P T T P dP μμυ∆=∆+∆⎰………………………….(5) (,)(,)(,)d g c c T P T P T P υυυ∆=-…………….………………….(6) (,),(,)d g c c T P T P μμ分别为金刚石和石墨的化学势。
(5)式表明，即使常压下石墨是稳定相((,0)0T μ∆>)，由于(,0)0T υ∆< (常压下石墨和金刚石的摩尔体积分别为5.3 cm 3/ mol 和3.4 cm 3/mol)。
在足够高的压力和温度条件下可使(,)0T P μ∆<，发生石墨向金刚石的转化。
在平衡条件附近，（5）式可改写为'''(,)(,)(,)()eo Peo P T P T P dP T P P P μυυ∆=∆=∆-⎰…………………….(7) eo P 表示平衡压力，eo P P P δ=-被称之为过剩压力。
即：石墨向金刚石转化的驱动力与过剩压成正比。
经过计算可知，在1500-2000K 的温度围，平衡压力与温度成如下关系：0.0032()eo P T GPa =………………...……..…………….(8)图-1.1 碳素的P-T 相图1.2溶剂-碳素系中的石墨和金刚石的平衡当今金刚石的工业化生产仍然依靠的是溶剂法。
Ni 及其它的3d 族金属或者由它们构成的合金，在高温高压条件下与碳素共融、形成溶解碳素的溶液。
在溶液-碳素系中，相平衡关系可以表示为公式(9)的形式。
d l g c c c μμμ== (9)其中，l c μ为溶液中碳素的化学势。