金刚石作为一种稀有的贵重物品,自古以来就是财富的重要象征。
在大自然中,金刚石以极少的矿藏量深埋在地底下。偏偏是这种少得出奇的金刚石具有世界万物中独一无二的特性:它是自然界中最硬的一种矿石。金刚石的这一特性,使它具有广泛的社会用途:有人将它镶嵌在金光闪闪的戒指、耳环等首饰中,以象征坚贞不渝的爱情;有人把它制成锋利无比的金刚钻,用来切割钢铁、玻璃等等。
1、硬度:摩氏硬度10,新摩氏硬度15,显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍,比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性,八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度,菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。
2、颜色:金刚石有各种颜色,从无色到黑色都有,以无色的为特佳。它们可以是透明的,也可以是半透明或不透明。许多金刚石带些**,这主要是由于金刚石中含有杂质。金刚石的折射率非常高,色散性能也很强,这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石原生矿仅产出于金伯利岩筒或少数钾镁煌斑岩中。金伯利岩等是它们的母岩,其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000℃时,它会缓慢地变成石墨。
3、亮度:金刚石因为具有极高的反射率,其反射临界角较小,全反射的范围宽,光容易发生全反射,反射光量大,从而产生很高的亮度。
4、光泽:金刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用特别强烈,而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽。
5、稳定性:金刚石化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性,高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用,只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中,或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时,表面会稍有氧化;在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。
金刚石:绝对硬度10000-2500。极纯净者无色,一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等;纯净者透明,含杂质的半透明或不透明。热膨胀系数极小,随温度上升而增高。比热容随温度上升而增加。还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。
蓝宝石:属于三方晶系,折射率1762-1770,双折射:0008~0010,一轴晶负光性,个别情况下具有异常的二轴晶光性。光泽,亮玻璃光泽至亚金刚光泽。蓝宝石具有二色性,一般有深蓝色/蓝色,蓝色/浅蓝色、蓝绿色、蓝灰色,**蓝宝石有金**/**,橙**/浅**,浅**/无色,等。
烟晶:晶质体,硬度7,烟**、褐色到黑色;是一种固溶胶,属于胶体。外观呈半透明、长长的水晶柱状,顶端颜色较深。有各种大小。
你也许不曾想到,黑色的石墨和亮闪闪的金刚石其实是由同一种元素——碳构成的,只是它们的外表和性质大不相同。
石墨的质地非常软,只要在纸上轻轻一划,就会留下灰黑色的痕迹,铅笔芯就是用石墨制造的。金刚石是所有自然物质中硬度最高的:人们用镶着金刚石的刀来切割玻璃,无不“迎刃而解”;钻探机的钻头上镶着金刚石,能大大加快向地下钻进的速度;金刚石还能用来加工各种硬度较高的金属。
石墨和金刚石都是碳元素构成的,为什么它们的性质相差如此悬殊呢?
原来,石墨中的碳原子是成层排列的,每层原子之间的A合力很小,就像一副叠起来的扑克牌,很容易滑动、散开。而金刚石中的碳原子是整齐排列的立体结构,每个碳原子都紧密地与其他4个碳原子连接,构成一个牢固的结晶体,因而显得特别坚硬。
天然金刚石的产量很少,只有在非常高的温度和巨大的压力之下,地下熔岩里的碳才有可能形成金刚石。由于它产量少、价格贵,人们往往会利用高温高压来合成人造金刚石。
金刚石结构分为等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。
在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。
钻石的摩氏硬度为10;由于在自然界物质中硬度最高,钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。钻石的密度为352g/cm3,折射率为2417,色散率为0044。
扩展资料:
金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体,是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体,其成分为纯碳,由碳原子以四价键链接,为目前已知自然存在最硬物质。
由于金刚石中的C-C键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,熔点在华氏6900度,金刚石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1000℃,而且不导电。
-金刚石
(一)金刚石性能
1金刚石的力学性质
(1)硬度高
金刚石是世界上已发现矿物中硬度最高的矿物。它的莫氏硬度为10级,其研磨硬度为刚玉(莫氏硬度9级)的150倍,为石英(莫氏硬度7级)的1000倍,是硬合金的6倍,为碳化硅和碳化硼的2~3倍。
金刚石晶面硬度与其结晶体形态有关,八面体的大于十二面体的,十二面体的大于六面的,而且金刚石的晶体硬度还具有各向异性,八面体不同方向上硬度相差不大,十二面体中平行于晶面棱边的硬度最小,六面体中垂直于晶面棱边的硬度最小,而它们对角线方向上硬度最大。因此,在加工表镶钻头时要注意这种方向性。正确利用金刚石各向异性特性,可提高钻头寿命50%~60%。
(2)抗压强度大
金刚石具有极大的抗静压强度(简称强度)。强度的大小取决于金刚石晶体的形态、晶体的完好程度、杂质的成分和含量、晶体的组织结构等。一般浑圆状的、结构完好的金刚石强度大。天然金刚石的抗压强度高达8600MPa,为刚玉的35倍,硬质合金的15倍,钢的9倍。人造金刚石的强度目前还低于天然金刚石:用于钻探的人造金刚石强度一般要求在2500MPa以上,即60#单晶单颗粒抗压强度在85N以上。
硬度高、强度大是金刚石的独特性能之一。但它的脆性也大,受到冲击载荷易产生裂隙甚至破碎,其动压强度不及静压强度的四分之一。因此,在金刚石钻进中要避免冲破击碰撞,采取有效的减振、防振措施。
(3)耐磨性好
金刚石具有极高的耐磨性。在空气中它与金属的摩擦系数小于01。金刚石的耐磨性是刚玉的90倍,是硬质合金的40~200倍,是钢的2000~5000倍,这就决定了金刚石钻头耐磨的特性。金刚石的耐磨性和硬度一样,也具有各向异性,使用时要注意不同晶面及同一晶面不同方向上的耐磨性是不同的。
2金刚石的物理性质
(1)颜色
纯净的金刚石应是无色透明的。天然金刚石由于含有微量杂质元素,使之呈现出各种颜色。常见的有浅**、浅棕色、浅绿色、玫瑰色和深棕色等。金刚石一般以色浅,透明度高的质量好。
(2)密度
金刚石的密度在327~356g/cm3之间,计算值取352g/cm3,它取决于金刚石晶体、杂质、包裹体、裂隙等。
(3)电磁性
金刚石一般是电的不良导体,但随温度升高,导电率有所增加。但含有少量硼的金刚石(呈天蓝色)其电阻率较低,是良好的半导体材料。
(4)导热性和热膨胀性
金刚石具有良好的导热性,金刚石的导热率是硬质合金的7倍,钻头胎体的5倍,一般岩石的10倍以上。这在钻孔中有足够冲洗液的冲洗条件下,对冷却钻头十分有利。
金刚石的热膨胀性,随温度变化而不同。低温时,热膨胀系数很低,有利于钻头的镶嵌;随着温度升高,热膨胀系数剧增。
3金刚石的化学性质
(1)耐酸碱性
金刚石有很强的耐酸性,常温时不与酸起化学反应,与碱起缓慢作用。因此,可利用强酸来腐蚀废旧钻头,回收金刚石。只有在沸腾温度下,某些强酸(如硝酸、氢氟酸)对金刚石才有明显的腐蚀作用。
(2)亲油疏水性
金刚石是碳的结晶体,是非极性矿物,其表面有很强的亲油疏水性,能吸附一层油膜,而完全不吸水。因此,在钻进中用乳化冲洗液,能起到良好的润滑减阻作用。
(二)金刚石的应用
由于金刚石具有密度大、硬度高、强度大、耐磨耐酸碱性好,因此,在国民经济的各个工程领域、特别是在钻探工程施工中得到了广泛应用。
(1)亮度(Brilliance)金刚石因为具有极高的反射率,其反射临界角较小,全反射的范围宽,光容易发生全反射,反射光量大,从而产生很高的亮度。
(2)闪烁(Scintillation)金刚石的闪烁就是闪光,即当金刚石或者光源、观察者相对移动时其表面对于白光的反射和闪光。无色透明、结晶良好的八面体或者曲面体聚形钻石,即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。
(3)色散或出火(Dispersionorfire)金刚石多样的晶面象三棱镜一样,能把通过折射、反射和全反射进入晶体内部的白光分解成白光的组成颜色——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光。
(4)光泽(Luster)刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用特别强烈,而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽。
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