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轉述：http://book.tngs.tn.edu.tw/database/scientieic/content/1987/00030207/0014.htm#%C6p%A5%DB%AA%BA%A9%CA%BD%E8
摘 要】鑽石是人類所知最硬的材料，可用於做首飾及切削工具，因產量稀少，致價格昂貴。自從人造鑽石研究成功後，若干工業國家 都在致力研究並設廠生產。蘇普洛維茲（B.O.Szuprowicz）在「如何避免戰略物資的短缺」一書中將鑽石列為戰略物質之一，蓋因碳化鎢刀具、陶瓷 材料、玻璃纖維、強化塑膠等材料之研磨切削，非鑽石工具莫辦，故為發展精密機械工業所必需。
鑽石的性質
鑽石為碳的同素異形體，石墨也是由碳所構成，不同的是鑽石屬立方晶系，石墨屬六方晶系。鑽石的比重為3.52，石墨為2.25。鑽石莫氏（Mohs）硬度 為10，剛玉為9，但鑽石比剛玉的硬度大1度並不足以顯示鑽石的高硬度，耐磨測試結果知道，鑽石比剛玉要硬140倍，比硬度為7的石英要硬1,000倍以 上。鑽石單晶的硬度依結晶面而異，以八面體的面最硬，立方體的面硬度最低，八面體面也是鑽石最易裂開的面。
鑽石比其他的礦物和玻璃更易透過X光。有些鑽石能在紫外線下發出螢光。鑽石是熱的良導體，也是電的半導體，能應用於電子零件，例如熱能電阻（thermister）。
鑽石的折射率極高，對紅光為2.402（波長7,628Å之光），紫光為2.465（波長為3,969Å之光），故散射度為0.063。如以黃色鈉光為標 準測試折射率，則為2.417。全反射臨界角為24.5°。因為這些光學性質，鑽石經適當切割研磨後，能顯示出奪目的光彩。
首飾用的鑽石多為結晶相當均勻的單晶，透明無色或紅、淺紅、橙、黃、綠、藍、紫、棕和黑等色。一種顏色較雜，而且內部聚集著不規則多晶體的鑽石稱為 bort，硬度高不易碎裂，常用在研磨劑、岩石鑽頭、抽絲模等工業用途上。另有一種呈灰色由極多微小晶體構成的鑽石叫作黑金剛石（carbonado）， 比單晶鑽石韌性高，很適合用來鑽切岩石，價格甚至比寶石級鑽石更貴。
鑽石市場
全球鑽石產量以南非和蘇俄為首，其他非洲國家如那密比亞（Namibia）、薩伊、羅德西亞、印度、巴西以及美國北部也有少量生產。巴西的鑽石礦發現於1725年，南非則在1867年才發現鑽石。
目前自由世界的鑽石市場全部由南非戴比爾斯（De Beers）公司所操縱。它控制鑽石的生產、制定價格並執行它的鑽石貿易條例，誰也不敢違反。戴比爾斯尚經營其他事業，它屬下的各公司都聽命於「中央販賣 組織」（Central Selling Organization，簡稱CSO）。五十年來該公司對穩定鑽石價格立下不少功勞，但最近三年該公司經營失利；在「財星」雜誌的世界最大公司排行榜 上，已由第169位降至339位。1980年鑽石價格達到最高峰，戴比爾斯出售的鑽石價值達二十八億美元，其中十一億為營利。1981年營業額降至一半， 利潤也降低了34％。目前庫存鑽石價值十四億美元。在慶伯利（Kimberley）和（Lesotho）的鑽石礦都已關閉，慶伯利是一百多年前南非發現鑽 石的小鎮。
歷史上很多人研究鑽石的製造，但都沒有確定性的成功。1951年美國奇異公司在紐約州斯克奈塔第（Schenectady）的研究發展中心，成立人造鑽石 研究小組。1954年，赫爾（H.T.Hall）成功地製造出第一顆人造鑽石，所用高壓設備在200,000巴（bars, 即3,000,000 psi）的壓力和5,000℃的高溫下穩定地維持數小時。1957年，奇異公司開始生產商業化小粒鑽石。他們的生產技術直至1960年才公開發表。 1957年奇異公司宣布立方系氮化硼研究成功，商業名稱波拉松（borazon），它是硬度僅次於鑽石的材料。1970年奇異公司宣布合成寶石級鑽石成 功，有透明體和各種彩色產品，最大顆粒為一克拉。
現今世界上有許多國家都利用高壓生長法，從石墨製造人造鑽石。據估計，工業上研磨用鑽石約有三分之二來自人造鑽石。以美國來說，奇異公司設在俄亥俄州的工廠生產量約100百萬克拉（合20,000公斤），約為自由世界產量的一半。這種鑽石一克拉的價格約為數美元。
世界上生產量居於次位的廠商便是戴比爾斯集團，他們向奇異公司購買人造鑽石專利權，在南非和歐洲設廠製造。設在日本東京附近的Tomei鑽石公司也生產人 造鑽石。蘇俄方面，在莫斯科有鑽石的研究室，工廠則設在Poltowa、Yerevan和基輔。新近美國又有一家公司加入生產行列，即是位於密西根州安那 堡（Ann Arbor）的懷狄曼國際公司（ValdiamantInternational Division），在安那堡和芬蘭的雷蘭（Lemland）設廠。此外尚有美國聯合合成公司（U.S. Synthetics Corp.）也生產人造鑽石。
戴比爾斯也製造和出售立方系氮化硼刀具，其商業名稱為amborite，也就是奇異公司波拉松的材料。六角方氮化硼和石墨一樣硬度頗低，必須在高溫、高壓 下使其轉化（正方系晶體，則硬度僅略遜於鑽石。天然或人造鑽石的粉末，應用粉末冶金方法，可以在高溫、高壓下燒結為塊體，成為複晶體材料，作為工具用途比 單晶鑽石優秀。因為單晶鑽石的性質具方向性，硬度依晶軸方向之不同而變，且極易依解理方向斷裂，複晶材料則無此弊。正方系氮化硼材料也是以粉末冶金方法做 成複晶材料，以刀片嵌鑲於刀柄上作刀具使用。
鑽石的類別
天然鑽石依性質不同，可以大別為四大類：節Ia型、Ib型、IIa型和IIb型。Ia型和Ib型鑽石都含有氮。氮在Ib型鑽石中以個別或局部存在，使鑽石 呈現黃色；在Ia型鑽石中，氮的含量雖較多聚集成大團或板狀，但仍然不能用普通顯微鏡觀察出來，這種鑽石仍屬無色。IIa型鑽石純淨不含雜質，故無色，為 最佳導熱體。IIb型鑽石含硼，呈藍色，具導電性。
這四種類型的鑽石，都已在實驗室中複製出來。無色的IIa型鑽石因不含雜質，故製造時須在特殊情況下，避免讓氮進入鑽石晶體，在十萬個碳原子中如有數個氮 原子進入，即足以造成強烈黃色的Ib型鑽石。如氮含量更高，每千個碳原子有一個以上氮原子時，顏色則加深為綠色，晶體生長也變得較為困難。少量氮原子能使 鑽石硬度增加，但多到鑽石變成綠色，則硬度反會降低。其他易於進入鑽石結晶構造的元素有鋁、鈹、硼和鋰，這幾種元素都能使鑽石產生導電性。這些元素中硼能 使鑽石產生藍色，在一百萬碳原子中只需幾個硼原子便夠用，如果一萬個碳原子中有一個硼原子，便會造成不透明的藍黑色鑽石。
為了使鑽石加色，1904年克羅克以鐳鹽產生的放射線照射鑽石，可以使鑽石變成綠色，但鑽石也變成具放射性。以加速器帶電質點照射鑽石，可產生綠至黑色， 鑽石本身因此所造成的放射性很輕微，數小時後即衰減。這二種處理方法只能在表面著色，若在反應器中以中子照射，則能均勻著色。將照射後的鑽石加熱、色素淡 化至棕、橙、黃等色。鑽石以電子照射可產生藍至綠色，再經加熱亦能繼續變色。由電子照射所致的藍色不同於IIb型硼雜質所致的藍色，後者具導電性。在少數 情形下，照射能產生淺紅色。
天然鑽石
天然鑽石是碳在地殼深處，約112公里以上，在高溫、高壓的岩石中經漫長的歲月結晶出來的。這些含有鑽石的岩石，經由火山爆發穿越重重岩層到達地表，岩漿 凝固後地層中便存留一條垂直的岩石柱，名叫火山柱（volcanic pipes）。在過去歲月中火山岩層連同火山柱上部都已侵蝕而去，地層中的火山柱便是今日南非各處的鑽石礦。而那些遭侵蝕的火山柱上部所含的鑽石並未失 去，至今若干南非溪流的砂礫中和橘河出海口附近都能採到鑽石。
火山柱的岩石是一種名叫角礫雲母橄欖岩（kimberlite）的高鹼性岩石，呈深綠色。地表風化的角礫雲母橄欖岩成為一種黃棕色泥土，由地表向下採掘， 則泥土轉變為藍色，表示尚未經過劇烈風化作用。其下則是未經風化的角礫雲母橄欖岩。鑽石礦順著火山柱掘下去越掘越深，有的礦坑已深達1,072.90公 尺。鑽石礦的深度為未知數。這類火山柱從南非至薩伊不下數百個，但只有少數含有鑽石。
由鑽石礦採出的岩石以壓碎機碾碎，機上配有特殊彈簧，使大塊鑽石不致壓碎。碎礦經過水洗除去污泥和輕質礦物，剩下的重質含砂只有原先礦石的2％。再經選礦 留下重礦物如柘榴石、鋯英石、黃鐵礦和鑽石。最後由水流沖過振動床，使鑽石黏附於塗抹油脂的床面，其他礦物為水沖去。每一礦場每日約需處理碎石4,000 噸。在1906年至1914年，南非聯邦鑽石產量最高峰時，每年可採鑽石五百萬克拉以上。
人造鑽石
人造鑽石的成功應歸功於高壓技術設備的研究，其中布里吉曼（P.W.Bridgman）是著有功績的一位。他曾於1946年獲諾貝爾獎。他發明了一種高壓 襯墊（gasket）、一種油壓封口和布里吉曼砧塊，由此得以獲致400,000巴的高壓。他所用的壓機仍然是傳統式油壓機，後人採用他的發明再改良壓 機，使操作溫度提高，人造鑽石因而順利誕生。
1941年奇異公司、Carborundum公司、挪頓（Norton）公司與布里吉曼訂立合約研究鑽石的合成，但因二次大戰而作罷。
1951年奇異公司在斯克奈塔第的研究實驗室，成立鑽石研究小組，改良布里吉曼砧塊，並由赫爾創造了圈環裝置（belt apparatus），能同時達到200,000巴和5,000℃，可以穩定的保持數小時之久。圈環和活塞都以鈷黏合的碳化鎢材料做成。外層以數層特殊鋼 圈緊縮配合套上，作為支持強度之用。襯墊材料為葉蠟石（pyrophyllite），即一種含水的矽酸鋁。
試樣石墨放在一個石墨管中，置於圈環中間，有葉蠟石作絕緣隔開，而且試樣和上下活塞接觸可以通電加熱。試驗工作經歷了數百次的失敗，赫爾終於在1954年 十二月十六日成功地製出人造鑽石。所用壓機為400噸，最初試驗時在試樣中加入硫化鐵，此後發現只要加入鐵便可。人造鑽石的方法申請到多項專利，所用觸媒 除鐵外，尚有鎳、鉭和其他元素和合金。以後又發現即使不用溶劑或觸媒，只要條件正確，也能長出鑽石晶體。
赫爾於1972年獲美國化學學會金質獎章和許多其他獎勵。他係於1948年在猶他大學獲博士學位。1955年人造鑽石製造成功後不久，他離開奇異公司，轉任猶他州布里漢楊大學的化學教授，並主持全校研究工作。
赫爾遭遇到一個困難，因專利權關係他不能再使用他所發明的圈環裝置做試驗。但是他具有發明天才，不到二年便完成了一種新的高壓裝置，叫四面體壓機 （tetrahedral press）。此壓機與以前的圈環專利並不衝突，也能達到圈環所有的溫度和壓力。四面體壓機具有四個砧塊（見圖一），砧塊也是用鈷黏合的碳化鎢做成，壓成 的葉蠟石襯墊呈一四面體，其中置有裝試樣的石墨管。石墨管二端有金屬片接觸砧塊供通電加熱之用。赫爾所設計的圈環和四面體壓機至今仍是高壓研究和製造的主 要工具。
早在1958年，赫爾即計劃做燒結的鑽石塊體，這種材料很像天然出產的黑金剛石〔係鑽石的聚晶體（polycrystal）〕。1966年他設立Megadiai mond公司生產人造黑金剛石，供商業工具使用。
大多數人造鑽石產品是鑽石砂粒，在工業上用於切割、研磨、拋光等作業。奇異公司自1958年起即出售人造鑽石砂粒。
碳的轉化
幾乎任何來源的碳都適合做鑽石合成的原料。據報導，有二十種材料曾經試驗成功。例如
（naphthalene）首先能做成石墨，第二步再變為鑽石。另外一些物質，如石蠟或蔗糖能直接轉化為鑽石。甚至花生在2,000℃和140,000巴條件下保持五分鐘，即能產生人造鑽石，轉化效率為60％。
通常，碳原料為石墨，與作為溶劑用的金屬混合，金屬並無觸媒作用。文獻上常提到的溶劑金屬有錳、鐵、鈷、鎳、鈀和鉑，以及這些金屬的合金。舉例而言，鎳在 1,500℃和90,000巴下能從石墨溶解4.0％碳，這時只是準穩定。（metastable）狀態。因為鑽石才是穩定形狀，鑽石的碳溶解於鎳的溶解 度為3.6％，由此造成的0.4％溶解的碳不能留存於鎳中，必須結晶而出，成為在這種條件下最穩定的碳──鑽石。
圖二為碳的相圖，鎳的熔點線上註以Ni。在此線右方區域鎳為熔融體，人造鑽石在A線之上B的陰影區域生長，以鎳為熔劑之用。
原料石墨裝填於葉蠟石管中，二端有鎳板，如圖三所示，放入圈環裝置中，再置於油壓機上加壓。當試樣壓力達某一數字，例如70,000巴以上，電流即經由活 塞和端板通至石墨。因石墨在電路中電阻最大而發熱，調節電流可得到所需的溫度例如1,800℃。
在此情況下，一部分鎳質端板熔融，溶解石墨，鑽石開始結晶。分開石墨與合成鑽石之間的金屬薄膜，厚度不到0.l毫米，而薄膜在石墨中移行十分迅速，只需數分鐘時間，石墨即已全部轉化為鑽石，熔融鎳薄膜也由二端行至較熱的中段。
若壓力在此時鬆弛，結晶的鑽石會立刻回到石墨狀態。因此，壓力須等到電流切斷，試樣冷卻到某種程度才能解除，現在只要打開葉蠟石管，用酸溶去鎳金屬，即可取出鑽石晶體。再將砂粒大小加以分類，在重液中由沉降速率使大小顆粒分離。
合成鑽石砂粒比之天然鑽石，在工業上的應用有更長的壽命。這是因為人造鑽石的大小和形狀能加以控制。天然鑽石常須經過打擊使成細粉，因此在鑽石粒子中造成微小裂紋，使鑽石工具在做研磨切割工作時，鑽石粒子易於碎裂。
其後奇異公司改良了葉蠟石管的布置，用緩慢的速率結晶，可以製出較大的晶體，並進而得到無色的寶石級鑽石。所需時間約一星期，製出的鑽石直徑可達5毫米，重約一克拉。此外尚有其他製造人造鑽石的方法，例如震波法、低壓蒸氣生長法、離子植入法等。
鑽石工具
鑽石為最硬的材料，作為切削工具雖然受到成本高昂的限制，但在其他工具操作效率很差的情況下，便值得使用鑽石工具。鑽石的室溫硬度約為8,000HV，比 碳化物或氧化物工具要高得多，尤其鑽石工具能保持其硬度至1,000℃，更非其他材料所能及。碳化鎢熱至800℃硬度即急速下降，波拉松硬度比碳化鎢為 高，即使在800℃以上也超過碳化鎢（見圖四）。
鑽石做的拉絲模是拉製超細金絲、銅絲、鎢絲所不可缺的工具。鑽石粉以聚合物、金屬或陶瓷黏結可以做成砂輪：金屬基地的砂輪適於切割岩石、混凝土和玻璃等； 聚合物黏結的砂輪適合於研磨碳化鎢和硬金屬材料。用於拋光的鑽石糊（paste）有油基和水基二類，前者以橄欖油、硬脂酸鋰和若干非晶態二氧化矽，加入鑽 石粉配合而成；後者以聚乙烯乙二醇（polyethylene glycol），溶於甲醇中的氫氧化鉀、非晶態二氧化矽和水加入鑽石粉而成。
人造鑽石在高速高溫切削工具上，已揭開新的紀元。現在已能在碳化鎢刀片上，燒結一層厚約0.5～1毫米的人造鑽石粉或正方系氮化硼。這層高密度的燒結體與 碳化鎢牢固的結合在一起，所用超高壓技術與人造鑽石的製造類似。刀片以硬焊方法焊於碳化鎢嵌片上，再以普通刀柄鎖緊。這種刀具十分昂貴，最小的一種價格也 超過50英鎊，但由於它們壽命極長，不必時常更換刀具，仍有經濟價值。
鑽石的化學性質影響其切削功效，例如高溫氧化、石墨化和在鐵中的易溶性。在這種情形下，鑽石刀具不宜用於切削鐵基金屬，故它的應用範圍限於非鐵金屬和高磨 礪性的陶瓷和塑膠材料。鑽石刀具在切削鋁矽合金活塞時極為成功，故廣用於汽車工業。高矽鋁合金中含有大顆粒矽晶體，對碳化物刀具磨損甚大，改用鑽石刀具 後，壽命可以增加10～100倍。此外，鑽石刀具可用於大量生產工作，如切削雲母絕緣的導電圈（commutator）、複合軸承、內含磨礪性填充料的塑 膠和玻璃纖維強化的組件。
正方系氮化硼的化學性質較鑽石穩定，不易氧化，在空氣中可加熱至1,000℃以上，也不溶於鐵或與鐵質材料（包括鎳和鈷）。故這類超硬材料可用於切削鐵基 材料，例如冷激鑄鐵和硬化過的鋼料。因切速極高，故溫度亦高，可以補充鑽石切削工具之不足，解決難於切削的超合金的切削問題。這類刀具也是十分昂貴，約為 碳化物刀具價格的60倍，故只用於其他刀具無法勝任的地方。以碳化鎢刀具切削耐高溫的超合金，壽命極短，改用正方系氮化硼後，證明具經濟性。氮化硼雖能抵 抗鋼鐵和鎳合金的擴散磨損（diffusion wear），但不適於切削普通結構鋼，以碳化鎢所用的金屬切除速率用於氮化硼，則刀鋒強度不夠，極易崩裂。
結 語
本文旨在介紹鑽石的物理性質、市場現況、人造鑽石的生產及鑽石的工業用途等。當我國機械製造工業走向更精密更高級的階段時，傳統式工具材料已不能勝任。鑽 石工具和正方系氮化硼工具卻能解決許多生產技術上的困難。這些工具使用已日漸普遍，國內各種鑽石工具多能自製，對我國工業發展貢獻極大。
根據戴比爾斯公司一項市場調查顯示，工業界對鑽石工具的需求量呈穩定的增長，在前幾年世界經濟呈現衰退時亦不受影響。該公司為配合預期的需求增長，將繼續 執行其耗資一億七千萬美元的生產擴充計畫，使人造鑽石產量增加一倍。由此可知，鑽石對工業發展的重要性。
參考資料
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程人俠任職於龍潭核能研究所
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