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坚硬的金刚石

        晶莹美丽的金刚石是自然界中最硬的矿物,它也是一种宝石,但天然含量稀少,因此被人们尊为“宝石之王”。经加工以后俗称“钻石”。在国际市场上,经过加工后大于 1 克拉的普通钻石,每克拉售价达数千至上万美元;如果是优质钻石,每克拉售价可达数万美元。假如是珍贵的红色钻石,其成交价则高达每克拉几十万,甚至上百万美元。说到这里请你注意,1 克拉仅有 1/5 克,可见,金刚石,尤其是优质金刚石,是极其珍贵的。
        金刚石虽然如此贵重,但其中的大部分并不是被作为宝石用于人们的装饰,目前天然金刚石的 85%,人造金刚石的 100%,都消耗在工业生产上。这是为什么呢?这主要是因为,金刚石有一副任何材料都无法与之匹敌的钢筋铁骨!
        纯净的金刚石是无色透明的。不过,由于金刚石一般都含有一些杂质,所以就有了蓝、粉红、蓝白、绿、黄棕褐、灰、黑等颜色。根据金刚石的用途不同,一般把金刚石分为宝石金刚石和工业金刚石 2 种。出乎我们意料之外的是,工业上对金刚石的要求,和宝石金刚石正好相反。宝石金刚石中晶体颗粒越大,杂质越少的越贵重,而那些颗粒小,不透明黑色的金刚石,通常被认为是最不值钱的。可是,就是这些在宝石金刚石中被看不上眼的“黑小个子”,在工业上却被认为是最好的金刚石。这是怎么回事呢?这是因为金刚石虽然硬但却很脆,很易破裂,晶体越大的金刚石越不结实的缘故。
        金刚石最突出最重要的特性,就在于它的坚硬。经测定,它的硬度比红宝石高 150 倍,比水晶高 1000 倍,它是世界上最硬的材料。也正由于此,它在工业上有着十分重要的用途。
        金刚石最常见的用途,就是制做用于划玻璃的玻璃刀。不过,用金刚石做玻璃刀,用量毕竟十分有限。在生产中,消耗金刚石最多的部门,是机械工业和地质钻探。
        在机器制造工厂,用车床切削金属时,要用各种车刀。用金刚石做成的车刀,在高速切削时,具有万夫不当之勇。一把金刚石车刀安装在车床上切削工件,能行进 1968000 米而不卷刃;可是一把硬质合金车刀,却只能行进34000 米。据研究,金刚石刀具比碳氏钨耐用 68 倍,比高速工具钢耐用 246倍,能切削任何特硬材料。特别是切削诸如红、蓝宝石,单晶硅、光学石英等很硬的材料时,就非金刚石车刀莫属了。金刚石真不愧为攻无不克、战无不胜的“常胜将军”!
        有意思的是,金刚石还善于切削特软而有弹性的材料,如橡胶、塑料等制品。用金刚石车刀切削塑料,比用硬质合金车刀可提高工作效率 900 倍以上。
        我们的眼睛,是无法看到地底下的情况的。地质人员根据地表的实际观察,理论的研究,从而推断地下某一地方可能有矿。可是为了验证推断是否正确,就需要将地底下的岩石或矿石取出来看一看。怎么取呢,这就需要钻探。钻探就要用钻探机,在钻探机的钻头上,常常镶着许多金刚石。钻探机上安了金刚石钻头,那真是如虎添翼,它能毫不费劲地攻破顽石,凿穿地层,带着人们的希望向地下宝藏进军。用金刚石钻头钻探,远比用硬质合金钢钻头钻进速度快,而成本低。
        细粒金刚石是极好的磨料。用金刚石粉琢磨宝石金刚石几乎是唯一的方法。用金刚石碎屑制成的砂轮,可用于各种仪器的精密加工。
        坚硬无比的金刚石还有一个用途,就是做拉丝模。金刚石拉丝模用来抽拉高质量的细金属丝,可以细到 0.01 毫米。用它抽出的金属丝不仅粗细均匀,而且表面光洁。
        在一些精密仪器中,用金刚石作耐磨的轴承、竖轴和枢轴等,也是利用金刚石的一个方面。
        金刚石还是一种半导体和很好的热传导体,在电子工业和空间技术领域里,都非常有用。正因为金刚石有着上述重要的用途,因而,金刚石极受人们的青睐,被列为特殊的战略物质。
        迄今为止,人们开采金刚石,只能从埋藏有金刚石的原生矿床和次生砂矿矿床中获得。次生砂矿床,是含有金刚石的岩石被风化后,流水把岩石碎屑向别处搬运过程中,把金刚石携带到水流平稳的地方沉积下来形成的。也就是说,发现次生砂矿床,从逻辑上就可以推断在其附近或周围地区一定埋藏有金刚石的原生矿床。那么,原生矿埋藏在什么地方呢?经过多年的探索与研究,我们已经知道,原生的金刚石只存在于一种稀少而又特殊的“金伯利岩”体中。也就是说,要问金刚石哪里找,只能到金伯利岩体中。
        金伯利岩体的形成与火山活动密切相关。我们知道,地球在漫长的形成过程中,地壳中产生了无数大大小小的断裂带,这些地球身上留下的创伤,是地壳的薄弱地带。地下深处灼热的岩浆在强大的内压力作用下,常常会沿着这些断裂带侵入地壳或喷出地表。岩浆在向上运动过程中,由于出路(火山口)常常被堵死,上升的岩浆在极其巨大的压力下逐渐冷却凝结。其中含有少量纯碳,在高温高压下便结晶为金刚石。由于这种含金刚石的岩石,首先是在南非金伯利城附近的火山岩管中发现的,所以就被称做金伯利岩。这种岩石大多是在距今 0.7~1.4 亿年前形成的,因而这一时期是金刚石形成的最重要时期。
        岩管中的金伯利岩在漫长的地质年代中,受到风化破坏,变成一种蓝色的泥土,金刚石由于又硬又稳定,便毫无变化地藏在了这些泥土中,随后随着流水运动到低处沉积下来,便形成我们前面所讲的含金刚石的次生砂矿床。
        大约在 2500 年前,金刚石首先在印度被发现。但在我国发现的较晚,相传在明朝时,在我国湖北长江流域曾发现了金刚石,清朝时,在山东沂蒙山区也曾发现有金刚石;而有计划地开展金刚石的地质找矿工作,却是新中国成立之后的事情了。本世纪 50 年代,在沅江流域首次找到具有经济价值的金刚石砂矿床;60 年代在沂蒙山区发现原生矿床;70 年代,在该地又发现了规模较大、品位较高,具有重大经济价值的原生矿床;进入 80 年代,我国又在辽宁南部发现了 3 个金伯利岩带,上百个岩体。此外,在贵州和内蒙古也发现了极富远景的金伯利岩体和金刚石矿床。从而使我国的金刚石探明储量,跃居世界第六位。并于 1977 年 12 月和 1981 年 8 月在山东的沂蒙山区,相继发现了常林钻石(重 158.786 克拉)、陈埠 1 号(重 124.27 克拉)等多颗宝石级大钻石。
        目前,我国的金刚石主要产自山东、湖南、辽宁等省。其中,山东沂蒙山区天然金刚石的探明储量占全国一半多,山东省金刚石产量占全国产量的4/5 以上,是我国最重要的天然金刚石产区。
        随着生产的发展,工业上金刚石的需要量急剧增加,天然金刚石越来越供不应求。于是,人们根据金刚石是碳在高温高压下形成的原理,纷纷研究人造金刚石。1953 年,瑞典的 ASEA 公司第一次合成人造金刚石成功,不久之后,各国相继研究了不同的生产方法,并投入了工业生产。我国在 60 年代之后也逐渐大规模生产人造金刚石。
        人工合成金刚石,主要是将石墨放在触媒中,加高温和高压,石墨即转变为金刚石。但这样生产的金刚石颗粒小、成本高、技术难度大,而且生产的多为工业金刚石。1989 年,郑州磨具磨削研究所青年工程师郑周经过刻苦研究,认真探索,在常压大气开放条件下,用火焰法合成了金刚石和有特殊用途的金刚石薄膜,把我国人工合成金刚石的研究和生产推上了一个新高度。使我国成为继日、美之后掌握这项先进技术的国家。
        总之,我国不仅是世界上金刚石储量比较丰富的国家,也是世界上人造金刚石合成技术水平最高的国家之一。


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