黑金刚石的主要成分是碳元素（C），其化学组成与普通金刚石相同，属于碳的同素异形体之一。这种天然多晶金刚石通常含有微量杂质元素如硅、镁、铝、钙等，并具有独特的黑色或暗灰色外观。

黑金刚石的成分分析需从矿物学与天体物理学双重角度阐释。作为金刚石的变体，其基础化学结构为碳原子以sp³杂化轨道形成的四面体键合，这种结构赋予其10级摩氏硬度的特性。与透明钻石不同，黑金刚石的深色源于内部多孔结构及包裹体，这些包裹体可能包含氢元素、氮元素及金属离子等杂质。实验室分析表明，黑金刚石的密度约为3.5-3.53克/立方厘米，折射率2.4175-2.4178，其物理参数与常规金刚石高度一致。

从成因看，黑金刚石的特殊性体现在两点：其一，它不与金伯利岩伴生，而集中分布于中非和巴西的冲积矿床；其二，同位素研究表明其碳源可能来自超新星爆发，星际尘埃中的碳在极端条件下形成了这种多孔结构。最新天体化学理论认为，黑金刚石中的纳米级孔隙可能封存了30亿年前的地外物质，这解释了其异常高的氢含量（可达0.1%）。

在珠宝鉴定领域，黑金刚石的成分验证依赖X射线衍射与拉曼光谱。检测数据显示，其碳晶格常数为3.567埃，与标准金刚石完全吻合，但拉曼光谱在1332cm⁻¹特征峰附近会出现展宽现象，这是多晶结构导致的散射效应。值得注意的是，市场上存在用黑色金刚砂（碳化硅）仿制的赝品，但真品的导热性是碳化硅的5倍以上，可通过专业仪器区分。

对收藏家而言，黑金刚石的价值评价需综合成分纯度与历史渊源。顶级藏品要求碳含量超过99.95%，且需附带陨石撞击坑矿床的成因证明。2018年加拿大发现的552克拉黄钻与中非出产的稀有黑钻，其成分差异不足0.3%，但市场溢价相差逾十倍，足见成分分析对收藏定价的关键作用。实验室合成黑金刚石虽成分相近，但缺乏天然包裹体的同位素特征，收藏价值显著不同。