工业生产中采用石墨片与触媒片交替组装高温高压合成金刚石时,金刚石单晶总是在石墨和金属触媒的交界处形核,并朝碳源充足的石墨片方向生长。合成的金刚石单晶表面总是包覆着一层金属包膜熔体。金属包膜是金属触媒和石墨碳融合的产物,是金属触媒在高温高压条件下作用于石墨向金刚石结构转变最直接的部分,石墨碳融入其中向金刚石表面扩散转移并最终被转变为金刚石结构。因此,研究金属触媒物相在金刚石合成中的作用机理,应着重研究金属触媒在高温高压下形成的金属包膜物相在金刚石合成中的作用机理。本文利用粉末冶金法制备出Fe-Ni-C系铁基金属触媒片,以石墨为碳源,进行了高温高压条件下金刚石单晶的合成实验。利用扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)等表征手段,系统表征和分析了金刚石颗粒表面及其所对应铁基金属触媒包膜界面的表面形貌、包膜界面的元素成分和物相成分,分析了在高温高压下可能对金刚石合成产生作用的铁基金属触媒物相；在此基础上,分别利用价电子理论和热力学理论计算了高温高压下铁基金属触媒物相及其主要晶面的价电子结构和铁基金属触媒物相向金刚石转变热力学反应的自由能变化,从价电子结构角度和热力学角度分析了铁基金属触媒物相在金刚石合成中的作用机理。此外,还利用余氏理论计算了爆炸法条件下石墨的价电子结构,从价电子结构角度探讨了爆炸法合成金刚石的机理。对金刚石颗粒表面及其所对应铁基金属触媒包膜界面显微形貌的SEM和FESEM分析表明,对应金刚石(001)晶面的包膜界面上分布有大量纳米棱锥状突起和少量类四方体突起；对应金刚石(111)晶面的包膜界面上分布着片层状台阶。金刚石晶面间不同的生长方式导致与金刚石表面相对应的包膜界面具有不同的界面形貌。对金属包膜和包膜界面上突起结构的能谱和EBSD分析表明,纳米棱锥状突起和类四方体突起的成分均为Fe、Ni、C;类四方体突起的结构主要为立方γ-(Fe，Ni)。对整个铁基金属触媒包膜的TEM分析表明,包膜中主要以面心立方γ-(Fe,Ni)单晶、正交结构Fe3C和六方结构石墨等为组成物相。而对包膜界面的观察表明,包膜界面存在面心立方γ-(Fe,Ni)纳米多晶和正交结构Fe3C多晶颗粒。在高温高压下存在于金属包膜熔体内的Ni3C,在金刚石合成后的速冷过程中不稳定,发生分解形成γ-(Fe,Ni)固溶体。由此可以推论,高温高压下对金刚石合成产生作用的铁基金属触媒物相主要有：石墨、γ-(Fe,Ni)、Fe3C和Ni3C。利用材料的线膨胀系数和广义胡克定律中的弹性常数确定了物相晶格常数随温度和压力的变化关系。应用此关系获得了金刚石和铁基金属触媒物相在高温高压下的晶格常数,为高温高压下铁基金属触媒物相在金刚石合成中作用机理的价电子理论分析提供了计算基础。高温高压铁基金属触媒作用下石墨和金刚石的价电子结构计算结果表明,石墨／金刚石界面的共价电子密度在一级近似下不连续,不满足金刚石生长的TFDC理论边界条件。从价电子结构角度来看,高温高压铁基金属触媒作用下石墨结构不能直接转变成金刚石,石墨不是金刚石合成的直接碳源。高温高压铁基金属触媒作用下Fe3C和金刚石的价电子结构计算结果则表明,Fe3C／金刚石界面的共价电子密度在一级近似下是连续的,满足金刚石生长的TFDC理论边界条件。Fe3C中的Fe原子次外电子层吸引碳原子的外层电子,使碳原子的电子轨道发生重排,为Fe3C中的碳向金刚石结构的转变准备电子结构基础。完成电子轨道重排的碳原子,自Fe3C中与金刚石生长晶面的电子密度保持连续的晶面上脱溶出来,进而转移到金刚石生长晶面上完成向金刚石结构的转变。与石墨相比,Fe3C中的碳原子更易于形成金刚石合成的直接碳源。高温高压铁基金属触媒作用下γ-(Fe,Ni)和Fe3C的价电子结构计算结果表明,γ-(Fe,Ni)/Fe3C界面的共价电子密度在一级近似下是连续的。从价电子结构角度来看,γ-(Fe,Ni)在金刚石生长过程中起催化相的作用。Fe3C、Ni3C和金刚石的价电子结构计算结果表明,Fe3C／金刚石、Ni3C／金刚石界面的共价电子密度在一级近似下均是连续的。与石墨相比,Fe3C和Ni3C中的碳原子更易于形成金刚石合成的直接碳源。Fe3C与金刚石界面的电子密度较Ni3C与金刚石界面的电子密度更满足连续性条件,因此从价电子结构角度来看,采用铁基触媒合成金刚石的效果应优于采用镍基触媒,这与国内外高温高压合成金刚石单晶生产中广泛应用铁基触媒的实际情况相符。系列爆炸法合成金刚石条件下石墨价电子结构的计算结果表明,在爆炸法条件下石墨的键距差都不满足余氏理论设定的0.005nm键距差公式,因此在爆炸法条件下不存在石墨的价电子结构。从价电子结构角度来看,爆炸法合成金刚石条件下不存在石墨相,金刚石微粒的形成不是石墨结构向金刚石结构固相直接转变的结果。铁基金属触媒物相在高温高压下向金刚石结构转变反应自由能变化的计算结果表明,石墨、Fe3C、Ni3C向金刚石结构转变的反应自由能变化均为负值,但是Fe3C和Ni3C向金刚石结构转变的反应自由能变化更负,即Fe3C和Ni3C向金刚石结构的转变反应更容易发生。从热力学角度来看,Fe3C、Ni3C等碳化物的形成降低了石墨向金刚石转变的能量势垒,金刚石合成的碳源来自于碳化物的分解而不是石墨的直接转变,这与上述价电子理论分析的结论基本一致。另外,Fe3C和Ni3C两种碳化物中,Ni3C向金刚石结构转变的反应自由能变化更负。但是Fe3C和Ni3C向金刚石结构转变的反应自由能变化在同一数量级,两者向金刚石结构转变的难易程度相差不大。因此在铁基金属触媒中加入一定量的镍所制备的Fe-Ni合金系触媒性价比最优。