一、力学性质
硬度金刚石是自然界目前已知材料中最硬的物质,其相对硬度(莫氏硬度)为10,显微硬度(正方锥压入法)为98588MPa。金刚石绝对硬度是石英的1000倍,是刚玉的150倍。金刚石的产地、矿床类型及颜色不同,其硬度不同。同一金刚石不同晶面上硬度也不同,杂质会对硬度产生影响,如含铬使金刚石硬度降低,韧性增大;含氮则金刚石硬度较高而脆性增大。硬度具有明显的各向异性,八面体{111}晶面上的硬度>菱形十二面体{110}晶面上的硬度>立方体{100}晶面上的硬度>四角三八面体{211}晶面上的硬度。
同一晶面不同方向上硬度也不同,在(100)面上,对角线[011]方向的硬度>正四方形边[001]、[010]方向的硬度;在(110)面上,对角线[111]方向的硬度远大于[001]方向的硬度;在(111)面上各方向硬度相近。
脆性金刚石虽然很硬,但性脆,在一定的冲击力下会沿晶体{111}解理面裂开。金刚石的脆性与晶体的内应力、裂缝及其他缺陷有关。晶体的内应力大、具有裂缝和其他缺点的晶体,在较低的冲击下就能被劈开。
密度金刚石的密度一般为3.47~3.56g/cm3,质纯、结晶完好的金刚石密度为3.52g/cm3。金刚石的颜色不同,晶体中包裹体的种类和数量不同,密度也不同。
解理金刚石具有{111}中等解理和平行{110}、{221}的不完全解理。因为其结构中{111}面网内键的相对密度最大,为4.619/a2,面网间键的相对密度最小,为2.309/a2;{110}面网内键的相对密度为2.828/a2,仅次于{111}面网,面网间相对密度为2.828/a2,仅高于{111}。其他面网间键的相对密度远远超过其面网内的相对密度,因而不易产生平行其面网的解理,而是产生不规则的贝壳状断口。Ⅱ型金刚石的解理面通常较Ⅰ型平滑。少数金刚石可发生塑性变形,系沿{111}方向产生滑移所致。
断口金刚石的断口具有很复杂的结构,但常以贝壳状或参差状为特征。
二、光学性质
颜色纯净的金刚石无色,但比较少见。多呈不同颜色,如黄色、绿色、棕色、玫瑰色、蓝色、灰色、黑色等。金刚石的颜色与所含杂质及结构缺陷有关。如黄色可由含Ti4+和Fe3+引起,或由结构中的缺陷中心造成。Ⅰb型金刚石含顺磁性单原子氮,常呈琥珀黄色,但这种形式的氮含量更高时会出现绿色。Ⅱb型金刚石含硼,使晶体常具蓝色或天蓝色。玫瑰色和烟色不是由杂质所致,而是结构呈色。灰色和黑色则可能由结构缺陷或含深色包裹体(主要是石墨)所致。
光泽金刚石常具有金刚光泽,但少数为油脂光泽、玻璃光泽,甚至无光泽。这是由于长期的化学腐蚀、射线影响、外来物质侵入以及表面为其他物质覆盖而光泽暗淡。
透明度纯净的金刚石晶体是透明的,但有些金刚石为半透明,甚至不透明。
折光率纯净者达2.40~2.48,在透明矿物中折光率最高。折光率愈高,对光的反射力愈强。经过特殊设计和加工的金刚石,可以把射入各个面和射入内部的光线几乎全部反射出去。折射率随波长改变明显:396.9nm,n=2.4653;486.1nm,n=2.4354;656.3nm,n=2.4103;762.8nm,n=2.4024。均质体,但常呈异常双折射,可能由结构缺陷造成的内应力所引起。
色散性金刚石具有高度的色散性,其色散系数达0.063,也是透明矿物中的最大者。色散系数愈大,分光效果愈好。当一束白光射入琢磨好的金刚石中时,因色散效应,可分成不同颜色的光,使得金刚石光彩夺目。
异常干涉色等轴晶系矿物,在正交偏光镜下的干涉色应为黑色,但很多金刚石呈异常干涉色,如灰色、黄色、粉红色、褐色等。
发光性金刚石在阴极射线下发鲜明的绿色、天蓝色、蓝色荧光;在X射线下发中等亮度或较微弱的天蓝色荧光,极少数不发光;在紫外线下发鲜明或中等亮度的天蓝色、紫色、黄绿色荧光;日光曝晒后在暗室里发淡青蓝色磷光。Ⅱb型金刚石在波长365nm的光照射下不发光,但用短波紫外线(253.7nm)照射后显示浅蓝色,有时呈红色磷光。
三、热学性质
热导率金刚石是较好的热良导体,其热导率不等,一般为138.16W/(m·K)。Ⅰb和Ⅱa型金刚石热导性特别好,Ⅰb及Ⅱ型含氮量低,均具有很高的热导率,适于作散热元件。金刚石的热导率随温度而异。在液氮温度下为铜的25倍,室温下为铜的5倍,具有超导热性。
热膨胀性金刚石在低温时线膨胀系数极小,随温度升高线膨胀系数迅速增大。
耐热性金刚石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中燃点为850~1000℃,在绝氧不加压的真空条件下,金刚石加热至1800~1900℃可转变为石墨。在金刚石燃烧时火焰呈蓝色。
四、电磁性能
导电性Ⅰ型和Ⅱa型金刚石为绝缘体,室温下电阻率为1014~1015Ω·cm,随着温度的升高,电导率有所增大。Ⅱb型金刚石具有良好的半导体性能。
介电常数金刚石的相对介电常数在15℃时为16~16.5,其数据随测定时的电场强度、频率和室温而异。
光电性用波长210~300nm的紫外线照射金刚石时,会有光电流产生。用红外和紫外线同时照射时,其光电导将增加近两倍。相同条件下,Ⅱ型比Ⅰ型金刚石的电流大若干数量级。
摩擦电性金刚石与玻璃、硬橡胶、有机玻璃表面摩擦时均产生摩擦电荷。摩擦电荷的符号为正,大小随摩擦时间而异。
磁性纯净的金刚石为非磁性,当含有磁性包裹体时具有一定磁性。
五、表面性质
金刚石表面具有亲油性和疏水性。金刚石由非极性的碳原子所组成,对水的H+和OH-不产生吸附作用,即水对金刚石不产生极化作用,故金刚石具疏水性。天然金刚石亦有疏油亲水者,主要原因是:①表面覆盖有氧化薄膜或硅酸盐矿物薄膜,使表面键性改变而变为亲水;②微量元素的混入,使晶体内部构造或表面键性发生改变;③受射线作用,地质应力作用,酸碱长期腐蚀、杂质机械混入和包裹体的影响等,其新鲜表面润湿接触角为80°~120°。自然界中的金刚石表面往往被污染,因而润湿触角变小。
六、化学性质
金刚石具有很好的化学稳定性,耐酸、耐碱,高温下也不与浓的HF,HCl,HNO3反应。只有在Na2CO3,KNO3的熔融体中,或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时,表面才稍微有氧化现象。其他性质见表14-2。
表14-2 金刚石的性质一览表