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碳单质及其衍生物 在学术界,一般认为金刚石、石墨、碳 笼原子簇、线型碳是碳的几种同素异形体。 金刚石,原子晶体,碳原子间以sp3杂 化成键; 石墨,混合键型或过渡型晶体,碳原 子间以sp2杂化成键;无定形碳和碳黑都 是微晶石墨。  富勒烯(碳笼原子簇),分子晶体, 碳原子间以s030p.695杂化轨道成键(3 条σ键);碳原子上还有条π轨道 (ssp915): 线型碳,分子晶体,碳原子间以 sp杂化成键。 其稳定性为:线型碳石墨金 刚石富勒烯。  1金刚石 金刚石主要用于精密 机械制造、电子工业、光 学工业、半导体工业及化 学工业。天然金刚石稀少, 只限于用作装饰品,因此 人工合成金刚石正在成为 碳素材料中的重要研究开 发领域  ●金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。 已报道的合成方法大致可分为两类: ★石墨转化法 C(石墨)C(金刚石) △Hn0=1828 k,].mol-1 △G,0=2796 kJmol-1 △Sm0=-325 kJ mol-1  由热力学得知,在等温条件下,反应的 自由能与压力变化遵循如下规律 △Gr=MH-TASr+△wP 0 式中△G、△厢△S别表示压力为P和温度为T 时的自由能、热焓和熵的变化; △V=V 金刚石 石墨 可见常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的, 但在高温和高压(由疏松到致密)下可能实现这种转 化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。  石墨转化法可分为静态超高压高温法和 动态法两种 ●静态超高压高温法用高压设备压缩 传压介质产生3~10GPa的超高压,并利用 电流通过发热体,将合成腔加热到1000 2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定 的高温高压条件,易于控制。该法可得到磨 料级金刚石,但设备技术要求高。  ●动态法利用动态波促使石墨直接 转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸 强放电和高速碰撞等瞬时产生,在被冲 击介质中可同时产生高温高压,使石墨 转化为金刚石。该法作用时间短(仅几 微秒),压力及温度不能分别加以控制, 但装置相对简单,单次装料多,因而产 量高。产品为徼粉金刚石,可通过烧结 成大颗粒多晶体,但质量较差。  ★气相合成法CVD法) 气相法是用含碳气态物质作碳源,产物往 往是附在基体上的金刚石薄膜。研究表明,含 碳气态物质在一定高温分解出的甲基自由基, 甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金 刚石中的碳处于sp3杂化状态,甲基中的碳也 处于sp3杂化状态,甲基自由基分解后便以金 刚石的形式析出。  碳氢化合物一整解→甲基一热(表面石墨 原料气 氢气一均裂一原子氢金刚石甲基(CH) 气相合成法又可分为 ●热丝CVⅦ法 ●等离子体化学气相沉积法(PCV法) ●燃烧火焰法  CH+H CH+Hz 水冷管 石英管 基样 导波管 基样 内焰 外焰 蹄 基体 焰芯 托盘 套管 焰炬 C2H2+02 热丝CVD法 PCVD法 火焰法 金刚石的三种气相合成法