我們都知道，從理論上說(shuō)任何形式的碳，只要滿足熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，都可以轉(zhuǎn)化成金剛石，但工業(yè)生產(chǎn)中，合成金剛石的碳源材料是石墨，同時(shí)石墨還是發(fā)熱體，在高壓腔里還是受壓介質(zhì)。

        那么石墨都有哪些類(lèi)型呢？

        石墨包括天然石墨、定向石墨、等靜壓石墨、納米石墨、以及其他石墨。近年來(lái)我國(guó)人工合成金剛石主要采取粉末觸媒技術(shù)，碳源以天然鱗片狀石墨為主。

       我國(guó)是天然鱗片狀石墨生產(chǎn)大國(guó)，石墨資源豐富，儲(chǔ)量巨大。天然石墨純凈者很少，常含有大量其他成分，如SiO2、 AI2O3、FeO、 MgO、 CaO、P2O5、CuO等。用于金剛石合成的天然石墨需具有高石墨化度、高密度、高純度，行業(yè)內(nèi)稱(chēng)之為“三高”石墨。之后專(zhuān)家學(xué)者們又提出了“三高一大”石墨，增加了石墨晶粒大的特性。接下來(lái)我們分別簡(jiǎn)單介紹一下：

       一、石墨化度

       石墨化度是指碳素材料的晶體結(jié)構(gòu)接近于理想石墨晶體何種程度的比率，石墨化度視晶體層間的大小而定，是表示晶體完整程度的主要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明，石墨化程度越高的樣品，在熔融催化劑合金中的溶解度和溶解速度都越大，合成所用時(shí)間越短，生成金剛石的產(chǎn)量越多，這是合成金剛石的必要條件。如果石墨材料的石墨化度很低，那么其結(jié)晶就不完善，晶格缺陷就會(huì)多，很多鍵合也不牢固，分解就比較容易，石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的晶核較多，金剛石晶體長(zhǎng)大所需的碳原子不充分，晶體的長(zhǎng)大得不到保障，就很難合成出好的金剛石。

       天然石墨，特別是鱗片狀石墨依礦床地域不同其石墨化度有所差異，但其數(shù)值均較高。

       二、密度及氣孔率

       從宏觀上說(shuō)，氣孔率是指制品中的空隙，它們是直接影響堆積密度的空隙；從微觀上說(shuō)，氣孔率是指結(jié)構(gòu)缺陷，如空的晶格點(diǎn)，也是一種氣孔，就是這種氣孔缺陷對(duì)金剛石結(jié)晶有很大的貢獻(xiàn)。實(shí)踐證明，控制碳源一定的氣孔率就可以控制金剛石的成核和生長(zhǎng)，從而控制金剛石的合成效果。

       在金剛石的合成過(guò)程中，碳源的密度越低，氣孔率越大，開(kāi)口氣孔就越多，碳源與觸媒合金的接觸面也就越大，石墨與觸媒合金相互作用的機(jī)會(huì)也就越多，分散、溶解速度就越快，從而有利于石墨向金剛石的轉(zhuǎn)變。但并不能說(shuō)氣孔率越大越好，因?yàn)檫m當(dāng)提高石墨的密度，降低氣孔率，能夠減緩熔媒滲入石墨的速度，從而有利于控制金剛石晶體的成核和生長(zhǎng)速度，并提高金剛石晶體的強(qiáng)度。

       在金剛石的合成過(guò)程中，高壓腔要求壓力穩(wěn)定。如果石墨氣孔率太大，高壓下引起體積的收縮就大，不利于壓力的穩(wěn)定和金剛石的生長(zhǎng)，碳源也易混入空氣、水分等有害雜質(zhì)，也不利于合成工藝的穩(wěn)定，所以要盡量降低氣孔率。

       三、純度

純度通常是指碳源材料中的灰分含量。一般認(rèn)為高純石墨有助于提高金剛石晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量，灰分致使石墨晶體缺陷。在金剛石晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,灰分使觸媒合金在石墨中的溶解度受到不同程度的影響，造成金剛石內(nèi)部氣泡或包裹體等晶體缺陷的產(chǎn)生。金剛石靜壓強(qiáng)度隨著灰分的增加有下降的趨勢(shì)，TTI值也隨著灰分的增加而降低。因此普遍認(rèn)為，生產(chǎn)高品級(jí)金剛石，鱗片狀石墨灰分含量應(yīng)控制在50×10-6以下。

       四、粒度

       石墨晶粒越細(xì)，分散度越高，則比表面積就越大，從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)就越不穩(wěn)定。這樣分散加快，溶解速度增大，有利于金剛石的轉(zhuǎn)變，所得到的晶粒數(shù)量多，但速度過(guò)快不利于粗晶粒生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，利用超細(xì)石墨粉作為碳原料，在合成金剛石的樣品里出現(xiàn)大量的黑色晶體，并且合成晶體的晶型差，具有大量的缺陷。所以，我們應(yīng)該選擇晶粒稍粗一些的碳源石墨，適當(dāng)降低熔媒中碳的濃度，控制不均勻成核數(shù)量和轉(zhuǎn)變金剛石的速度。

       老一輩專(zhuān)家學(xué)者們?cè)诮饎偸荚床牧系奶接懪c研究中，從原子結(jié)構(gòu)及它們之間的轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行了深入的探索，選擇了多種性能各異的碳、石墨材料，進(jìn)行人工合成金剛石的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探明了金剛石碳源材料應(yīng)該是體積密度高、純度高、氣孔率小、石墨化程度高、石墨晶粒大的“三高一大”石墨。

       專(zhuān)家們?cè)?0世紀(jì)70年代初的應(yīng)用研究中，又有了獨(dú)到的發(fā)現(xiàn)和見(jiàn)解，提出了金剛石碳源材料的“三高”特性不能是越高越好。金剛石在高溫高壓的腔體中成核、生長(zhǎng)時(shí)，需要有一定的空間，即晶體“生長(zhǎng)空間”理論。因此要求石墨要具有一定的氣孔率，體積密度和石墨化程度均不宜過(guò)高，石墨中允許有一些有利元素的雜質(zhì)存在。

       作為人工合成金剛石的主要原材料，碳源的性能和質(zhì)量將直接影響人造金剛石的合成效果，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)合理選擇。