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金剛石的原子結構
金剛砂原子是由一個帶有Z個正電荷的原子核和外面的Z個電子組成的系統，Z稱為原子序數，Z是原子的重要特征，如Z=6為碳、Z=1為氫。原子的另一特征是它的質量數A(核子數)，原子核是由質子和中子構成，A是它們的總數，Z是其中的質子數。Z相同的原子具有相同的物理和化學性質，統稱為一種元素。Z相同而A不同的是這種元素的同位素，如Z=6，而A=12、14的兩種同位素。
- 根據量子力學的原理，C原子在適當條件下，其角量數τ可以為0，1，2，3，…，當τ=O時，電子軌道為s態；；τ=1時，電子軌道為p態；τ=2時，電子軌道為d態；τ=3時，電子軌道為f態；τ=4時，電子軌道為g態。S、 p、d軌道的電子云形狀示于下圖中。
- 從共價鍵的觀點出發，豐滿鍵的C，呈四價，它既可捕獲4個電子變成穩定態，也可奉獻4個電子而呈穩定態。C通常以共價鍵結合，具有很高的硬度。碳原子的電子層結構是1s2、2s2、2pX1、2py1。當C原子相互結合為共價鍵時，原子軌道不是一成不變的。根據電子軌道理論，同一個原子中能級相近的各個軌道，可以通過線性組合成為成鍵能力更強的新的原子軌道，即雜化軌道。根據鮑林的金剛砂軌道雜化理論來說明雜化過程。C原子在反應時，激發一個2s電子到2p軌道上去，這時1個s軌道和3個P軌道“混合起來”，形成4個新軌道—Sp3等價雜化軌道，每個Sp3雜化軌道具有1/4的S態成分和3/4的P態成分，形狀都相同，這4個軌道的對稱軸之間的夾角都是109℃28′。以Sp3雜化軌道成鍵，就構成四面體或八面體的金剛石原子結構。C原子SP3雜化軌道的雜化過程如下圖所示。
- 金剛石的sp3可寫為S、P、P、P，它們是規一的，又是相交的，能量相同的原子軌道可以“混合起來”組成新的軌道，這種新的軌道還是P軌道，只是方向不同而已。盡管S軌道和P軌道的主量子數相同，但s軌道比P軌道的能量低，因此S軌道不可能和P軌道“混合”起來組成新的軌道，只能孤立在原子中間，但是分子中的“原子”情況不同，共價鍵的形成改變了原子狀態。這種外力在量子力學中稱為“微擾”。由于共價鍵產生“微擾”作用
的能量比S軌道和P軌道之間能量差別來得大，金剛砂按量子力學“微擾”理論，S軌道和P軌道也可以混合起來組成新的軌道，這種新的軌道中，有S成分也有P成分，而與S軌道和P軌道不同，而組成sp3雜化新軌道。原子軌道雜化后，可使成鍵能力增加，使生成的分子更加穩固。共價鍵是由2個電子的電子云相互穿插、重疊而成的，故在2個原子粒之間有最大的電子云密度。金剛石的C原子，在形成共價鍵時放出的能量，足以使2s中1個電子激發到
金剛砂石磨料合成工藝簡要闡述
- 簡單介紹樹脂結合劑磨具和陶瓷結合劑磨具所使用的RVD型的金剛石磨料以及以青銅結合劑為代表的金屬結合劑磨具用的MBD系列金剛砂石磨料的合成工藝，并介紹生產過程中通過觀察合成棒判斷壓力、溫度參數的方法。
- 合成工藝參數簡析合成工藝參數主要是指合成壓力p、合成溫度T、合成時間t。這三個參數對于合成效果有著重大影響。
- 壓力和溫度是影響金剛石結晶特性的最根本的工藝因素。其他各種工藝條件，諸如合成棒和合成塊結構及組裝方式、葉蠟石傳壓介質的性質等，也往往在不同程度上歸結到壓力和溫度這兩個基本工藝因素上來。至于加熱方法(直接加熱、間接加熱、混合加熱方式〕、升壓升溫方式(一次升壓、二次升壓、慢升壓)、控壓控溫方式(手動控制、自動控制)等，更是直接關系到壓力和溫度。
- 在p和T一定的條件下，合成時間長短則主要是影響晶粒大小。因為金剛石顆粒隨著生長時間的延長而逐漸長大，所以合成時間(保壓、保溫時間)應當由所要求的產。In粒度來決定。除了粒度之外，還要考慮生長速率。在生產高品級金剛石的條件下，生長速率比較緩慢。因此需要更長的生長時問。
- 所用石墨片和催化劑片的厚度，也取決于所要生產的金剛砂石粒度。在其他條件適當的前提下，片越厚，越有利于獲得粗粒度產品。
- 合成棒直徑的大小取決于壓機噸位。壓機越大，金剛砂允許使用的合成棒也相應增大(表1-7)。
- 合成棒加大，所用葉蠟石立方塊尺寸也要相應增大，以保持其足夠的密封、隔熱、電絕緣性能。
- 觀察合成效果判斷壓力和溫度在生產過程中，可以根據16次高壓、高溫合成后的合成棒經砸開并刷去表面石墨后觀察到的金剛石生長情況，直觀地估計所用壓力和溫度的高低；根據觀察到的情況，判斷壓力和溫度并及時進行必要調整，這是合成操作的一項基本功。
- 生產中常見的情況大體上可分為以下幾種。
a.合成棒燒結成整體，比較結實，但不難砸開。砸開后看到端片和中間都生長有金剛
石晶粒而且分布均勻，這表明壓力和溫度適當，合成效果良好。
b.合成棒很結實，不易砸開。砸開后發現各片生長金剛石多而細，表明溫度適當，壓粒稍偏高或升溫開始較晚。
c.合成棒很松，輕輕一砸，石墨片與催化劑片就一片片分開，并且接觸面平整，無明顯變化，無金剛石生成。這表明溫度和汪力都低，未達到金剛石生長區間。
d.中間幾片生長金剛石，兩端片不生長，說明溫度偏低。
e.中間幾片燒結，不長金剛石，兩端長金剛石，說明溫度偏高。
f.試棒周圍有較厚金屬殼，催化劑片變色，發脆，變形，出現星形帶，有重結晶特征;
石墨片發亮不長金剛石。這表明f力和溫度都偏高.超出了金剛砂石生長的區間。
- RVD型金剛石合成工藝RVD型金剛石的特征是晶形不規則，針片狀晶形占70%以上，其余為等體積形(顆粒長軸與短軸比小于1.5倍)，強度最低，脆性最大，尖棱銳利，磨削鋒利，是最適宜制造樹脂結合劑磨具和陶瓷結合劑磨具的金剛石品種。RVD型金剛石經過一表面鍍覆處理可以顯著延長磨具使用壽命。這類產品利川小噸位壓機((6X6MN)和小尺寸腔體(016mm合成棒)就可以制造，不是必須使用大噸位壓機和大腔體。催化劑可以使用NiCrFe或NiFeMn，不必使用NiMnCo或其他Ni和C。含量高的昂貴的催化劑材料。對石墨材料也要求不高，供人造金剛石用的各種牌號的石墨均可使川，以有利于高產者為好。因為這類金剛石粒度較細小(60/70-325/400)，又要求高產，所以宜使用較薄的催化劑片與石墨片，或者使用粉狀催化劑和石墨。金剛砂組裝方式見前述。RVD型金剛石在合成工藝上的特點是:要求壓力和溫度控制在V形合成區內的富晶區的中間部位;可以采用一次升壓、升溫方式(圖1-26)，而不必要求二次升壓或慢升壓;保壓、保溫時間視粒度要求而定。通常是生產細粒度產品，時間一般為3-5min。
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