v第二章第二章 金刚石的结构与性质金刚石的结构与性质v金刚石的密度：金刚石的密度：3.52克克/立方厘米立方厘米2-1金刚石的化学组成v金刚石：碳金刚石：碳v杂质：硼、氮、镍、铬、铁杂质：硼、氮、镍、铬、铁v分类：分类： 型，含氮：型，含氮： a aA 含双原子氮含双原子氮 aB 含多原子氮含多原子氮 b 含单原子氮含单原子氮 型，不含氮：型，不含氮： a 不含硼不含硼 b 含硼含硼v天然钻石中天然钻石中a型占型占98%以上，以上，a型型1%。v人工合成钻石中以人工合成钻石中以b型为主，少量为型为主，少量为b和和a型型混合型。混合型。第一节 金刚石的晶体结构与形态v2-1-1金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构v1、立方金刚石的晶体结构、立方金刚石的晶体结构闪锌矿性闪锌矿性v共价键共价键 ，键夹角，键夹角109.28 碳原子相距碳原子相距1.542埃埃v杂化轨道：根据分子轨道理论，同一个原子中能级相近的各个轨道，可以通过杂化轨道：根据分子轨道理论，同一个原子中能级相近的各个轨道，可以通过线性组合，成为成键能力更强的新原子轨道。然后对外成键线性组合，成为成键能力更强的新原子轨道。然后对外成键v2、六方金刚石晶体结构、六方金刚石晶体结构纤锌矿型纤锌矿型v1967年，瓜巴拉峡谷陨石金刚石年，瓜巴拉峡谷陨石金刚石-朗斯代立朗斯代立特特2-1-2 金刚石的结晶形态v晶体形态可分为两种类型：晶体形态可分为两种类型：v单形单形和和聚形聚形，v单形为由同种晶面组成的晶体形态；单形为由同种晶面组成的晶体形态；v聚形是由两种以上的晶面组成的晶体形态，聚形是由两种以上的晶面组成的晶体形态，聚形是由单型聚合而成聚形是由单型聚合而成。金刚石的形貌特征立方体正八面体菱形十二面体晶形：天然金刚石的晶体形态常见为八面体，其次为菱形十二面体、立方体及其聚形。人造金刚石根据合成条件的不同，晶形可分为八面体、立方体或者立方、八面体聚形等，其中以后一种最为常见。产品中常出现各种连生晶体，不规则晶体以及各种结晶缺陷。三、金刚石的形貌特征（1）立方体晶形三、金刚石的形貌特征（2）正八面体晶形三、金刚石的形貌特征（3）菱形十二面体晶形2-1-2 金刚石的结晶形态v晶体形态可分为两种类型：晶体形态可分为两种类型：单形单形和和聚形聚形，单形为由同种晶面组成的晶体，单形为由同种晶面组成的晶体形态；聚形是由两种以上的晶面组成的晶体形态，形态；聚形是由两种以上的晶面组成的晶体形态，聚形是由单型聚合而聚形是由单型聚合而成成。人造金刚石常见的晶体形态。人造金刚石常见的晶体形态v常见六常见六-八面体八面体 v1)单形六面体（单形六面体（100）和八面体（）和八面体（111）v2）聚形）聚形v3）双晶）双晶v4）连晶和晶簇）连晶和晶簇v常见的：八面体、菱形十二面体，其次立方体、按尖晶石律形成的双晶、常见的：八面体、菱形十二面体，其次立方体、按尖晶石律形成的双晶、插生双晶、凸八面体、凸十二面体、凸立方体以及由这些单晶构成的双插生双晶、凸八面体、凸十二面体、凸立方体以及由这些单晶构成的双晶或聚晶晶或聚晶八面体八面体、菱形十二面体菱形十二面体、立方体立方体、三角三八面三角三八面体体、三角四六面体和四角三八面体。、三角四六面体和四角三八面体。v双晶双晶是两个以上同种晶体按一定的是两个以上同种晶体按一定的对称规律对称规律形成的规则连生。钻石常出现接触双晶类型，形成的规则连生。钻石常出现接触双晶类型，接触双晶接触双晶是指双晶个体以平面相接触而连生是指双晶个体以平面相接触而连生在一起。在一起。（由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体）（由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体） （由两个立方体构成的天然穿插双晶）（由两个立方体构成的天然穿插双晶） 2-2金刚石的主要机械物理性能v2-2-1机械性能机械性能v1、硬度、硬度v莫氏硬度莫氏硬度10、v显微硬度显微硬度10600 （大于（大于30GPa）v硬度硬度 金刚石的金刚石的摩氏硬度摩氏硬度为为10，是，是最硬的物质。最硬的物质。v这种这种10级硬度是相对的。实际上它级硬度是相对的。实际上它是硬度为是硬度为9的的刚玉刚玉的绝对硬度的的绝对硬度的150倍，比硬度为倍，比硬度为7的的水晶水晶大大1000倍倍矿矿 物物摩斯硬度摩斯硬度压入硬度压入硬度研磨硬度研磨硬度 (Vicker kg/mm2) (Rosival)滑滑 石石 1 24 0.03石石 膏膏 2 36 1.04方解石方解石 3 109 3.75萤萤 石石 4 189 4.2磷灰石磷灰石 5 536 5.4正长石正长石 6 795 30.8石石 英英 7 1120 100黄黄 玉玉 8 1427 146刚刚 玉玉 9 2060 833金刚石金刚石 10 10600117000以石英作为100，为相对标准。 几种常见材料的硬度比较2.硬度与原子结构的关系硬度与原子结构的关系各向异性各向异性 晶体晶体不同方向硬度有一定差异不同方向硬度有一定差异 (用立方模型表示用立方模型表示)。这给钻石的。这给钻石的加工带来了方便。金刚石的高硬度保证了钻石的加工带来了方便。金刚石的高硬度保证了钻石的耐耐磨性，永不磨损。磨性，永不磨损。 为什么沿不同方向加工的难易不一样？为什么沿不同方向加工的难易不一样？v3.解理：由于晶体的面间距不同，在外力作解理：由于晶体的面间距不同，在外力作用下，它们最容易沿面间距最大的结晶面间用下，它们最容易沿面间距最大的结晶面间劈开，称为解理劈开，称为解理v分析八面体如何解理分析八面体如何解理v4.摩擦：摩擦系数低。在空气中与金属的摩摩擦：摩擦系数低。在空气中与金属的摩擦系数低于擦系数低于0.1，有极高的抗磨损性能，是刚，有极高的抗磨损性能，是刚玉的玉的90-100倍、倍、 硬质合金硬质合金40-200倍、高速钢倍、高速钢淬火淬火2000-5000倍倍v研磨能力比碳化硅高研磨能力比碳化硅高500-3500倍倍 碳化硼碳化硼1500-6000倍倍v4、强度、强度v强度是衡量金刚石晶体质量的主要指标强度是衡量金刚石晶体质量的主要指标v1）抗压强度）抗压强度v一般磨料级一般磨料级1.5GPav高品级高品级3-5GPav2)抗冲击韧性抗冲击韧性v3）弹性模量与压缩系数）弹性模量与压缩系数v金刚石，体积弹性模量金刚石，体积弹性模量B高达高达435GPa（吉帕）（吉帕），立方氮化硼，立方氮化硼B=369GPav弹性模量表示其强度和在加工过程中发生形弹性模量表示其强度和在加工过程中发生形变的特性变的特性v弹性模量越大，变形越小，被加工工件的形弹性模量越大，变形越小，被加工工件的形变、产生的内应力和发热量都较小，提高加变、产生的内应力和发热量都较小，提高加工件质量工件质量1. D. M. Teter, MRS Bulletin, 22 (1998)2. J. Haines, J. M. Leger and G. Bocquillon, Annu. Rev. Mater. Res. 31, 1 (2001)3. P. F. McMillan, Nature Materials 1, 19 (2002)4. C. Kocer, N. Hirosaki, and S. Ogata, Phys. Rev. B 67, 035210 (2003) 硬度与体弹性模量的关系硬度与体弹性模量的关系硬度与体弹性模量的关系硬度与体弹性模量的关系1. D. M. Teter, MRS Bulletin, 22 (1998)2. J. Haines, J. M. Leger and G. Bocquillon, Annu. Rev. Mater. Res. 31, 1 (2001)3. P. F. McMillan, Nature Materials 1, 19 (2002)4. C. Kocer, N. Hirosaki, and S. Ogata, Phys. Rev. B 67, 035210 (2003) 硬度与剪切弹性模量的关系硬度与剪切弹性模量的关系硬度与剪切弹性模量的关系硬度与剪切弹性模量的关系