第4章 动态高压合成金刚石
4.1 动压法合成金刚石的发展史
陨石中的金刚石早就引起了人们的注意，有人认为这是陨石高速坠落时冲击波作用到其中的石墨上造成的。这或许对早期科学家试图用冲击波作用于石墨从而制造金刚石有某种启发。
众所周知，金刚石是碳在超高压超高温下的稳定相。人们总是通过多种办法试图把价格低廉的无定形碳或石墨转变成金刚石，创造相变条件就成了科技工作者的奋斗目标。动压法无疑是其中最佳选择之一。事实证明，动压法是可以制造微米级和纳米级金刚石的。
它是用负氧平衡原理（爆轰法）或强冲击波作用原理（爆炸法），在瞬间（10-6s量级）达到金刚石热力学稳定区（约3500K和约20GPa），从而使部分碳实现了向金刚石的相变。当然，激光照射石墨制造金刚石也可以是其中方法之一。
20世纪60年代，前苏联和美国几乎同时研究成功动压法制造金刚石。但前苏联在此领域做的工作较多，参与人员和单位均较多，制造规模较大。1960年，M.J.Urizar和E.James等[1]在研究TNT炸药密度与爆速的线性关系时发现，当装药密度Q=1.55g/cm3时线性关系发生转折，推测此密度下产物中的碳成分有相变发生。1961年美国在动压冲击后的石墨样品中探测到金刚石[2]。Alder等[3]用冲击压缩方法成功合成多晶金刚石。前苏联的全联盟技术物理研究所的K.V.Volkov、V.V.Danilenko和V.I.Elin首次用负氧平衡炸药进行了爆轰合成超分散金刚石（Ultradispered Diamond，UDD）或者超细金刚石（Ultrafine Diamond，UFD）的实验[4]。前苏联科学院院士E.I.Zababakhin率领K.V.Volkov、V.V.Danilenko和V.I.Elin等专家对动压法合成金刚石进行了许多有益的探索：①率先在球状和柱状的反应腔内，用冲击法压缩石墨和炭黑而获得金刚石（1962年）；②率先使用压缩石墨-金属混合物的方法，使金刚石产率的增加成为可能（1963年）；③率先用爆炸法获得超硬的纤锌变态的氮化硼（1963年）；④率先发现用炸药碳分子合成金刚石的爆轰法（1963年）[5]。
随后，前苏联科学院化学物理研究所、苏联科学院西伯利亚分院流体力学研究所、乌克兰科学院超硬材料研究所、乌克兰科学院材料科学问题研究所、第聂伯彼得罗夫矿山研究所都先后开展了UDD的合成与应用研究工作。所以前苏联被普遍认为是该领域的开拓先锋[6]。
20世纪末，俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、美国、德国、法国、日本以及中国等国都掌握了爆轰法制造纳米金刚石的方法，有的已经大批量生产。
我国在20世纪60年代末开始研究爆炸法制造金刚石，于70年代初曾出现过高潮。中国科学院物理所、力学所和北京砂轮厂于1971年初，首次用爆炸法合成出人造金刚石微粉。随后又用爆炸法成功地烧结出大颗粒金刚石聚晶[7]。锦州碳素厂采用爆炸法合成金刚石微粉和大颗粒聚晶，其金刚石微粉纯度很高[8]。河南荥阳金刚石厂每炮的产量可达150～170克拉，这类金刚石制成精磨片加工光学玻璃获得了良好的效果。沈阳石棉水泥制品厂生产的爆炸金刚石微粉，制成研磨膏用于加工各种硬质合金，可把工件加工达镜面表面粗糙度为0.012μm。此外，中国地质科学院勘探所、五机部123厂、吉林524厂、沈阳724厂、二机部三局、郑州中原砂轮厂、河南巩县金刚石厂等都已成功地用爆炸法合成出金刚石并应用到工业的各方面中去[7]。
1975年11月26日至12月2日在广州召开了由中科院和一机部联合主持的爆炸法合成金刚石现场经验交流会，出席会议的近百名代表来自40多个单位。当时已有不少单位初步掌握了这种方法。爆炸人造金刚石及其制品，应用于开发矿业和机械加工等方面已初获成效。
1992年，中国工程物理研究院流体物理研究所对爆炸多晶纳米金刚石微粉的制造工艺进行了改进。利用高能炸药爆轰产物驱动金属飞片，碰撞“硬”回收包套以输入平面冲击波，在24～37GPa的压力范围内，对纯石墨进行1～4次的冲击压缩实验，合成出了纯度很高、形貌良好的立方形聚晶金刚石[9]。
我国于20世纪90年代初期实现了用爆轰法合成纳米金刚石，徐康和金增寿等人于1993年成功制备出纳米金刚石[10]。中国科学院兰州化学物理研究所、中国工程物理研究院流体物理研究所和西北核技术研究所先后实现了批量生产。北京理工大学[11～15]等高校的理论研究比较系统全面，并指导相关公司实现了产业化生产。此外，东北机器制造总厂、山东光明机器厂等单位都用爆炸法制造了单晶或聚晶金刚石。
21世纪初又有许多单位加入这一研发队伍中。华北工学院[16，17]、燕山大学[18，19]、南京理工大学[20]、中北大学[21，22]等都对纳米金刚石进行了深入细致的研究。西北核技术研究所的文潮不仅用爆轰法制备了纳米金刚石，同时又探索出用爆轰法制备生产纳米石墨[23]。这些都拓展了动压法合成纳米金刚石和其他纳米材料的领域。
广义的动压应该不仅仅指炸药形成的冲击波，强的激光脉冲也会在局部小区域形成超高压超高温达到金刚石的热力学稳定区。用这样的激光照射石墨也可以制造细粒金刚石。早在1983年Fedoseev[24]首先用此法合成了金刚石。之后Ogale[25]、Alam[26]以及我国的王金斌[27]、杨国伟[28]、孙景[29]等人均用不同的装置和实验条件合成了金刚石。
大连理工大学、天津大学、装甲兵工程学院、武汉理工大学、合肥工业大学、哈尔滨工业大学、清华大学、上海大学、北京应用物理与计算数学研究所、长沙矿冶研究院、中原工学院、河南工业大学、中国科学院金属研究所等诸多高校和研究机构都参与到这一研发大军中。已经从当初的爆轰和爆炸制取原生材料，发展到特性研究、表面改性、生产应用、机理探讨等[30～34]。我国在动压法合成金刚石的研究领域，专家众多、范围宽广、趋势良好。我国的纳米金刚石作为一个产业或许在不久以后即可形成[35]。可以预计，我国的纳米金刚石研究在不久的将来一定会走在世界前列。