金刚石与石墨为同素异晶体。石墨在高温（1300℃左右）、高压（5万～6万大气压）下，借助触媒金属，改变晶格可变成金刚石。金刚石晶格为正四面体（键长为1.54Å），石墨是层状结构（层间距为3.35Å），见图2-8-1所示。
人造金刚石的合成机理对于指导工业生产无疑具有重要意义。但由于在高压高温下试验检测的困难性，合成机理问题至今尚未研究清楚。下面简要介绍有代表性的几种学说。
应该指出：目前，各种学说都尚未定论，只可以分别解释部分现象，都还不能十分清晰和圆满地解释所有的现象。
一、溶剂说
溶剂说又称过饱和说。贾尔迪x（***.***.gi***rdini）认为：金属在转变过程中起溶剂作用，石墨在高压下以原子方式溶解直至饱和，然后从过饱和溶液中以金刚石的形式析出。过程表达式如下：
碎岩工程学
图2-8-1 金刚石及石墨的结构图
为什么转变过程中溶解的是石墨，而析出的却是金刚石?列特文（Ю.А.Ритвин）对此作了补充说明。他把溶剂说的转化过程修改为以下形式：
碎岩工程学
因为在高压、高温合成条件下，溶液对金刚石过饱和、而对石墨是不饱和的，由此造成了所谓连续溶液，使得石墨不断溶解，而金刚石不断结晶析出。
溶剂说认为：结晶的动力是溶液中金刚石的过饱和度。结晶的形态和晶体的形成与长大，都与过饱和度直接相关。过饱和度大小取决于在具体压力、温度条件下石墨与金刚石溶解度之差。
造成过饱和的原因是，石墨与金刚石在热力学上的差势——化学位之差。在一定温度范围内，金刚石比石墨稳定，因而石墨较容易溶解，即石墨溶解度比金刚石大。
迪肯森（s.***.dichenson）曾经解释溶剂对化学键变化所起的作用。他认为溶剂能够破坏石墨的大π键，从而促使石墨晶格解体，进而构成金刚石的sp3杂化态。从能量上讲，由于溶剂的作用，降低了反应过程的活化能。
晶种法培育宝石级大单结晶的过程，被认为是符合溶剂说的典型例子。金刚石晶体表面的螺旋生长现象，也是溶剂说的证据。
溶剂说无法解释某些现象。例如Pb、Sb也能溶解大量碳，但是不能生成金刚石。这说明，并非所有能溶解碳的物质都能促使金刚石生成。这就不能仅从溶解角度去简单理解，而需要用其他理论，即从微观结构和能量上进行更深入地分析。
二、催化剂说
催化剂说也称为触媒说，或熔媒说。这里说的催化剂是固相结构转变说的触媒和溶剂说的溶剂，都是指的合成金刚石所用的金属或合金。
根据勃温柯克（h.***.bovenkerk）的说法，催化剂理论的主要内容为：石墨加催化剂后，在高温、高压下，两者溶解并在碳原子表面形成金属薄膜。碳转化成金刚石只发生在这层金属薄膜上（薄膜厚度约为0.1mm）。由于扩散作用，碳原子通过金属薄膜，以金刚石形式析出。在此过程中，金属薄膜起催化作用。随着时间的延长，金属薄膜逐渐深入碳区，把生成的金刚石与未反应的石墨分隔开来。金刚石生成历程可表示如下：
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国内有人设想，随着晶体的不断增大，要求金属薄膜的表面积也相应扩大，假若薄膜面积扩大速度落后于晶体长大速度，薄膜将会被胀破。在胀破处，由于得不到碳源的继续供应，金刚石的生长就停顿下来。日本的若雅男认为，石墨-溶媒界面被重结晶石墨和金刚石所覆盖，是成核终止的原因。
国外关于金属薄膜的催化作用，有三种说法：开始的说法是，催化薄膜降低了金刚石和金属之间的表面能；另一种说法是，由于Ni对C原子的吸引，有利于金刚石借助Ni作外延生长，或者说，Ni在金刚石成核时起结晶基底作用；第三种可能的催化作用是生成某些中间产物——过渡金属的羰基配合物，这些配合物不稳定，冷却时金属又从配合物中分解出来，而金刚石就由这些羰基配合物生成。
第三种说法的根据是：在合成时的高压腔内有不少CO2和O2存在，而过渡金属具有容易生成羰基配合物的化学特性。有关反应如下：
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在较低温度条件下，按式（2-8-1）、（2-8-2）反应；在较高温度时，则按式（2-8-3）反应。
金属（M）与石墨生成中间产物MC或MXC的历程，一般可表示为：
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三、固相结构转化说
1959年，朗斯代尔（Ronsdell）提出：金刚石是石墨经过简单的同素异构转变而不需破坏石墨键所形成的。固相转化的根据是石墨的（0001）面与金刚石的（111）面上原子间距的适应性。1965年维列夏金（Л.Ю.Верещадин）补充并发展了上述观点，认为：熔融的金属原子扩散进入石墨晶格，在金属作用下，石墨晶格中的化学键转变为金刚石键，原先处于同一平面的C原子发生折皱，石墨即以固相方式转变成了金刚石，然后金属析出。值得重视的是，这一石墨固相转化模型中，包含了金属熔融、催化然后析出的过程。
国内学者提出了所谓整体结构转化机理。
在高压下，石墨各层间沿C轴方向互相接近，层间距被压缩；在高温下，C原子振动加剧。当层间相对应的原子的振动方向相反时，它们就有规律地上下靠近，相互吸引，使得原来处于平面六角格子结点上的原子产生垂直位移，一半向上，另一半向下。结果，平面六角网就发生扭曲，折皱成双层结构。与此同时，平面内C-C之间自由的2pz电子，都转移到垂直方向，集中在上下两个对应原子之间，形成共价键，sp2杂化转变成sp3杂化，石墨变成了金刚石（图2-8-2），在无触媒参与情况下，这样的直接转变，至少需要12.5 GPa的高压和2700℃的高温条件。
图2-8-2 石墨变金刚石的结构转化
假设有触媒参与，可以把合成压力和温度降低到5～7 GPa和l200～1800 ℃。触媒促使石墨发生结构转变的机理，可作如下解释：石墨六方网格结点可以每隔一个分为单号和双号两组。如果石墨层上方有一层金刚石结构的触媒原子，垂直向下对准单号原子而相互作用，如图2-8-3所示，则可使单号原子的2p电子由平面集中向上，去与触媒原子成键，使这一层石墨的C6网格扭曲成金刚石结构。变成了金刚石结构的第一层原子，按图样方式，又使其下方对准的第二层原子变成金刚石结构。这样一层层连续作用下去，就使石墨晶体整个转变成金刚石晶体。这种整体结构转变速度非常快，瞬间即可完成。
固相结构转化说的一个证据是：在生成的金刚石中曾经发现有一种五角星形的八面体孪晶，而在碳素原料中，可以见到这样的五元环结构。据此推测，五角孪晶像是直接转变来的，而不是由C原子以单分散方式从溶液中生长起来的。溶液中可能部分地保持着固态结构，并且以固态方式发生结构转变。
图2-8-3 石墨在触媒作用下的转化
固相结构转化说给出了清晰的微观结构模型，但是还有一些重要现象无法解释。例如，在一般生产中金刚石晶体尺寸是随时间延长而增大，以及有螺旋生长现象等。故有人认为，结构直接转变只是快速成核的主要形式，而不是整个相变过程，甚至连爆炸法也不例外。
