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碳的同素异形体之一碳原子之间以sp3方式键合,每一碳原子与邻近的4个碳原子相连,即碳原子的配位数为4。每一碳原子处于一个正四面体的中心,与之相邻的碳原子则处于四面体的4个顶点之上。(见金刚石晶体形态、碳原子杂化轨道
简介
种类 金刚石有天然金刚石和人造金刚石两大类，从晶体结构来看，金刚石又有立方晶和六方晶之分。普通金刚石大都具有立方晶结构，一般称为fcc-8，即面心立方，晶胞中含有8个碳原子。六方金刚石又称为郎德石(见碳相图、郎德石)。以sp3杂化键结合的碳的其他同素异形体也都称为金刚石，如n-金刚石、6H-金刚石、BC-8等。此外，金刚石薄膜、i-碳等一般也划归广义的金刚石之内。然而严格地说，这类物质不是碳的同素异形体，因为它们不是完全由碳原子组成，其中的氢含量不可忽视。
天然金刚石按其红外吸收谱的特征，分为Ⅰ型和Ⅱ型，每一种又分为a、b两种亚型，即Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb，其中Ⅰa型又再分为ⅠaA和ⅠaB(图1)。这种分类法已被普遍接受。(表1、图1，金刚石的光学
性质)
天然粗粒金刚石，估计98%，都为Ⅰa型，含氮量大，最高可达0.5%。人造金刚石则大都为Ⅰb型，纯净的Ⅰb型晶体呈琥珀色或橘红色，完整的Ⅱa型晶体，无色透明，热导率极高，高质量Ⅱb型晶体呈蓝色，此类矿石极少，其最主要的特点是具有P-型半导体的特征;这是由于晶格中含有硼原子，部分碳原子为硼所取代。法国路易十四王冠上著名的天蓝色宝石、产自印度的所谓“希望钻石”，就是含硼的Ⅱb型金刚石。因为含硼，Ⅱb型晶体的热导率会进一步提高。金刚石中还有一种由极细的细粒微晶或隐晶组成，为杂质粘合而成的集合体，称为黑金刚石，它不在上述分类范围之内。
表1 天然金刚石的分类
| 类型 |
红外吸收谱 特征峰/cm-1 |
电性能 | 含氧情况 |
| ⅠaA | 1215，1280 | 绝缘体 |
0.01%～0.25%， N不具顺磁共振 性 |
| ⅠaB | 1175，1332 | 绝缘体 |
0.01%～0.25%， N不具顺磁共振 性 |
| Ⅰb | 1130，1343 | 绝缘体 |
<0.01%，晶格有 单个取代N原子， 具顺磁共振性 |
| Ⅱa | <1332，无吸收峰 | 绝缘体 | 微量游离氮 |
| Ⅱb | 具有受主能带 | 半导体 | 不含氮 |
图1 ⅠaA、ⅠaB两种金刚石的红外吸收光谱
性能 金刚石硬度之大、压缩率之小、热导率之高、热容之低，在所有已知物质中都居于首位，再加上坚韧无比的耐磨耐蚀性，大粒晶体的晶莹闪亮、光彩烨烨，在宝石中也堪称世界之最;特别是类金刚石薄膜问世之后，其性能之显赫、应用之广泛，尤为引人瞩目。
硬度 在划分为1～10级的莫氏划痕硬度HM的标度上，金刚石HM=10，占有最高地位，在以磨耗为基础的莫-伍氏硬度HM-W标度上也位居榜首，Ⅰ型金刚石HM-W=42.5，J.N.普伦德(Plende)对一种特选的Ⅱ型金刚石，得到HM-W=71。莫氏硬度对特硬的物质，如碳化硅、立方氮化硼及金刚石等，即原来处于HM为9～10之间的物质，分辨力不强，因此把9～10级扩展为9～15级，成为所谓扩展的莫氏硬度HEM，在这一硬度标度上，金刚石也处于顶点，其HEM=15。就压痕硬度来说，金刚石的努普硬度HK为8500～9500 kg/mm2，在(111)晶面上维氏显微硬度HV为9000～9500 kg/mm2，这些硬度数值均在其他物质之上。硬度测试方法多种多样，难以进行客观比较。普伦德等(1962)曾提出以原子间的结合力为基础的，用kJ/cm3来表示的所谓绝对硬度标度Habs。金刚石的Habs =5650kJ/cm3，远高于HM为9.5的立方氮化硼(2029)和HM为9的刚玉(670)。Habs标度可以把特硬物质的硬度数值拉开，确实是比较客观的硬度评定方法。
金刚石的硬度，在不同温度下与其他高硬度材料相比，也居于遥遥领先的地位。在室温至1300℃之间，几种高硬度材料的显微硬度与金刚石的对比见图2。
图2 几种高硬度材料的显微硬度HV与温度t的关系
体积压缩率 体积弹性模量B的倒数称为体积压缩率K。金刚石的体积弹性模量，在常压下公认的数值为：B=440～444 GPa，高居于其他所有物质之上，其倒数为：K=(2.25～2.27)×10-12m2/N，即压缩率达到最小。前苏联学者里亚比宁(У.Н.Рябинин)认为金刚石是最难压缩的物质。因测试方法不同，B0的数值互有出入(表2)。
表2 金刚石体积弹性模量B0
| 方 法 | 数值/GPa | 作 者 |
| 静态法 | 560 | R.W.Lynch等，1966 |
| 动态法(冲击压缩) | 519 | М.Н.Павловский，1971 |
| 超声法 | 442 | H.I.McSkimin等，1972 |
| 布里渊散射法 | 442 | M.H.Grimsditch等，1975 |
| 理论计算 | 439 | M.Halfland等，1985 |
| 理论计算 | 442 | O.H.Nielsen，1986 |
| 静态法(金刚石砧内) | 444 | П.В.Александров，1987 |
金刚石受压后，体积缩小，密度增大。在压强P之下，密度为d，受压前密度为d0，比值d/d0称在压强P下的折合密度。折合密度是压强的函数。经亚力山德罗夫(П.В.Александров)等人的精心测试d/d0与压强P的关系(图3)。
图3 金刚石折算密度d/d0与压强P的关系
图3为一直线，实测点的分散性极小，实验压强达到42GPa。根据这一直线可以准确地测算出金刚石的体积弹性模量，直线的斜率，m=0.225，容易推得：
B=P+1/m
这是一个相当优美的表达式，简捷明快。1/m=444.4GPa，此值即为
B0P=0)
压强增大，B略有上升。压强增大1GPa。B上升约0.2%，上升的幅度很小。在不大的压强范围内，一般认为B几乎与压强无关。因此压缩率K随压强的增大而下降的幅度也很小，在不大的压强范围内，K也几乎与压强无关。(见金刚石的力学性质
热导率 在常温下，以W/cm·K为单位，金刚石的热导率为20 W/m·K，而铜为4 W/m·K，在80 K下，金刚石约为200 W/m·K，而铜才为8 W/m·K，相差25倍;但在极低温度下，低于15K之下，铜的热导率却高于金刚石。金刚石热导率随温度的变化见图4。在天然金刚石中，以含氮很低，比较纯净的Ⅱa型的热导率为最高。氮含量更低、更纯净的人造金刚石，其热导率又高于天然的Ⅱa型。
图4 金刚石热导率λ与温度T的关系
人造金刚石：1—含N 0.07×10-6; 2—含N100×10-6
天然金刚石：3—Ⅱa，低N.<100×10-6;4—Ⅰa，
含N0.11%;5—Ⅰa，含N0.23%
摩尔比热容 在所有已知物质中，金刚石的摩尔比热容Cp(J/(mol·K))为最低。在极低温下，Cp与温度的关系见图5，在100 ～1000K范围内的这一关系见图6。在低温下Cp的实测值与理论计算值符合得很好(表3)。(见金刚石的热学性能、碳的热力学性质)。
图5 低温下金刚石定压摩尔比热容Cp与
图6 金刚石的定压摩尔比热容Cp与
温度T的关系(100～1000K)
展望 金刚石以其优异的性能，在炭素材料学上占有显赫的地位。但进入20世纪90年代之后，金刚石性能的冠军宝座，如硬度、比热容等已受到严重的挑战。据理论计算，β-C3N4晶体的硬度会超过金刚石，这一物质的薄膜已于1996年合成成功，其硬度的高低有待进一步测试。莫斯科超硬材料研究中心的V.D.布兰克(Blank)等，于1996年以纯净的C60为原料合成了几种三维高聚物，发现这些材料可以在金刚石的(111)面上划出痕迹，奴普硬度计的金刚石压头，因为硬度不够，不适宜于对这种高聚物进行硬度测试。用一种所谓“纳米压痕”和“纳米划痕”的办法，也证实这种高聚物比金刚石还硬。这种超硬材料的比热容，在400K及600K下实测的数值比金刚石的相应数值还低。
表3 摩尔比热容实测值的对比
| 物 质 | Cp/J·(mol·K)-1 | |
| 400 K | 600 K | |
|
金刚石 三维C60高聚物 |
10.19±0.3 9.01～0.06 |
15.41±0.6 12.82～13.28 |