石墨和金剛石是碳的同素異構(gòu)體，但是它們之間到底是怎么轉(zhuǎn)變的，大部分人只能比較抽象的理解。今天把石墨和金剛石的轉(zhuǎn)變相圖搬出來，從相圖的角度簡單科普一下它們之間的轉(zhuǎn)變，也許大家對這個過程的認(rèn)識會更加清晰一些。

       碳相圖是指不同溫度和壓力條件下，碳的各種存在形態(tài)之間的界限及互相轉(zhuǎn)化的簡單圖解。有時簡稱為壓強(qiáng)、溫度圖或P-T圖。80年代之后，隨著科學(xué)技術(shù)及檢測技術(shù)的發(fā)展以及科學(xué)家們深入的理論分析，碳相圖的范圍逐漸擴(kuò)大，內(nèi)容也日趨豐富。這其中當(dāng)然包含一些我們不容易理解的熱力學(xué)原理，比如吉布斯自由能、熱焓、熵的變化等等，今天不討論這些理論推導(dǎo)，盡量深入淺出吧。

       我們知道，所有物質(zhì)都是能量越低越穩(wěn)定；石墨的能量低，所以石墨穩(wěn)定。從下圖可以直觀的看出，石墨的能量低，想變成金剛石，就需要額外增加能量。

       自然界中的天然金剛石的原生礦大多與火山爆發(fā)有關(guān)。因此，人們設(shè)想生成金剛石需要高溫和高壓的條件，于是，1954年由美國通用電氣公司首先在世界上通過高溫高壓法合成了人造金剛石。當(dāng)然也不是隨便就成功的，是以熱力學(xué)理論的預(yù)期作為指導(dǎo)，高壓物理研究作為支撐。

       后來，隨著理論和實踐的推進(jìn)，前人根據(jù)實驗結(jié)果，加上一定的計算和外推得到了碳的經(jīng)驗相圖，這張圖可謂是指導(dǎo)金剛石合成的最“硬核”的依據(jù)。如下圖所示。圖中Ⅰ區(qū)是石墨穩(wěn)定區(qū)，金剛石亞穩(wěn)定區(qū)；Ⅱ區(qū)是金剛石穩(wěn)定區(qū)，石墨亞穩(wěn)定區(qū)；Ⅲ區(qū)是觸媒反應(yīng)區(qū)，即石墨在觸媒的作用下，在該區(qū)所示的溫度和壓力下可轉(zhuǎn)變成金剛石；Ⅳ區(qū)是石墨穩(wěn)定區(qū)；Ⅴ區(qū)是金剛石穩(wěn)定區(qū)；Ⅵ區(qū)是碳的固Ⅲ相區(qū)，比金剛石更致密，具有金屬性質(zhì)。

       圖中的AB線為石墨穩(wěn)定區(qū)與金剛石穩(wěn)定區(qū)之間的分界線，習(xí)慣上常稱為石墨-金剛石相平衡線。B點為金剛石、石墨、液相碳的三相點（12.5GPa，4100K）。

       對應(yīng)于AB曲線的溫度-壓力條件見下表，平衡線T<1200K部分，是利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)并根據(jù)公式計算出來的，與實驗結(jié)果相符合；平衡線T>1200K的部分是外推得到的，并經(jīng)過了實驗校正，基本也是與實驗符合的。

       從碳的相圖可以看出，凡是在石墨-金剛石相平衡線以上的壓力溫度條件下，很大的范圍內(nèi)都滿足G石墨>G金剛石，即都能使石墨相向金剛石相轉(zhuǎn)變。但在實際上，在AB曲線靠近A點一端，溫度低，轉(zhuǎn)變速度慢；靠近B點一端，超高的壓力和溫度存在設(shè)備上的困難。因此，生產(chǎn)上常見的靜壓觸媒法合成金剛石，是在相平衡線中部上側(cè)的壓力溫度內(nèi)進(jìn)行的。一般P=5～10GPa，T=1270～2270K,而且觸媒和碳的共熔溫度也在這個區(qū)間。近年來研究了許多合成金剛石的方法，由于制造的方法不同，金剛石已可在其穩(wěn)定區(qū)，包括亞穩(wěn)區(qū)的不同段里合成。

       這張圖希望大家保存起來，遇到困惑的時候；思路走的遠(yuǎn)的時候回頭看一看，也許能找到初心！