高温高压法——合成钻石

一、概述

众所周知，钻石是由单元素碳组成的宝石。在自然界，钻石的生成是在高温高压下地质作用的结果。合成钻石就是人工模拟天然钻石形成的条件，让非钻石结构的碳转化为钻石结构的碳。早在1953年，瑞士工程公司(ASEL)就利用一种称为“压力球”的装置成功地合成出了40颗小的钻石晶体，但直到1955年美国通用电气公司(gE)宣布利用称为“压带”的装置首次成功生产出钻石时，他们才将其研究成果公布于众。戴比尔斯公司(de Beers)也不甘落后，于1959年掌握了合成钻石的复杂技术。他们所采用的方法与美国政府下令严格保密的通用电气公司所使用的方法非常相似。60年代初期，戴比尔斯公司和通用电气公司就开始了生产工业用合成钻石粉。我国在60年代也已成功的合成了磨料级钻石，并投入生产。1971年，通用电气公司宣布他们已合成出了平均直径为6mm的钻石晶体。这些钻石晶体不仅有**、褐色的，也有含氮低的近无色的，还有含硼的蓝色钻石。1985年日本住友电气公司(Sumitorno Electric Industries)开始加入合成钻石行列，1993年生产出高净度的工业用钻石。1990年俄罗斯的新西伯利亚(Novosibirsk )宣布他们利用“分裂球”(Spl(it-sphere)或称BARS装置已成功地合成出了钻石。

由于受超高压设备和高温条件的限制，生产成本较高，故宝石级合成钻石仍是昂贵和稀少的，但我们相信总有一天会有价格合理的宝石级合成钻石面世。

二、合成钻石的原理

1碳元素的化合物

钻石、石墨和无定性碳都是由碳原子组成的，它们不同的外观和截然不同的物理性质，取决于它们完全不同的原子结构(图9-7-1)。

图9-7-1 碳原子的等间距紧密堆积结构(左)钻石；层状结构(右)石墨

2石墨—钻石的转换

合成钻石的温压条件要求高，即使有催化剂存在下，仍需要压力(50～80)×108Pa，温度为1350～1800℃。用高压设备合成钻石最常用的金属熔剂(催化剂)是铁、镍、钴及钯。图9-7-2是在碳稳定相图中，合成钻石区晶形与温压关系。在合成钻石区，温度压力不同，钻石的晶形也各不相同。所以，合成钻石受温压影响较大。温度较低时，以立方体的生长为主；温度较高时，以八面体的生长为主。所以人工生长的钻石多为立方-八面体聚形。

合成钻石的碳源一般用石墨，所以，合成钻石的生产就是石墨转换成钻石的过程，不过，宝石级钻石的合成分两步走，先用石墨合成钻石粉(工业磨料)，再用钻石粉作原料，合成宝石级钻石，钻石粉可以保持压力稳定，生长出大颗粒的晶体。若采用石墨，其断裂的碳键改组成钻石时，会有体积损失，而使体系的压力降低，影响较大晶体的生成。

三、合成钻石的技术与设备

1六面顶压机

合成钻石的设备目前多采用高温高压的压机，国内的合成钻石主要是工业钻(即工业金刚石)，设备是一种称为“立方体超高温高压装置”的压机，压机采用油压和垂直固体传压装置，根据顶锤数量的不同，分为两面顶、四面顶、六面顶几种。现国内用得最多的是六面顶压机(即上下、前后、左右三对顶锤)，其工作压力有1000～5000吨的多种，工作空间640mm×600mm×500mm，一般是上下顶锤通电加热，温度可达1900℃左右。

2“压带”法

压带装置如图9-7-3所示，本方法与顶锤压机大同小异，将钻石粉末作为碳源放在生长舱内，生长舱放在特种材料做成的垫圈中，并放在两个铁砧之间，然后使生长舱内的原料经受极高的温度和压力，在生长舱内底部比顶部的温度低，以便形成一个温度梯度，使顶部的钻石粉充分熔化并通过熔剂向生长舱底部迁移。在温度较低的生长舱底部，钻石围绕籽晶生长成钻石晶体。

图9-7-2 碳稳定相图中，合成钻石区晶形与温压关系

图9-7-3 压带装置

3BARS装置

BARS是“分裂球无压装置”的俄文词头字母缩写。该装置中所需压力是采用液压的方式，通过将液体注入压力罐内得到，而不是用巨大的水压机提供。液压使球体装置的8个部分合在一起，并在由6个活塞构成的八面体上产生压力。八面体内有一个立方体的生长舱，其中装有加热设备、籽晶、碳源(钻石粉)以及金属熔剂。在这种装置中，常用镍作熔剂。图9-7-4是BARS装置的生长舱及其截面图。

图9-7-4 BARS装置的生长舱及其截面图

以上不同设备和方法，应属于不同的静压触媒法。除此之外，合成工业级钻石还有许多种方法，只是有的方法还不成熟，有的方法已被淘汰。如：爆炸法、液中放电法、气相沉积法、地下核爆炸法等等。气相沉积法近年来有很大的发展。

四、合成钻石的鉴别特征

由于合成钻石的技术条件要求高，成本昂贵，目前尚无法大规模工业化生产，市场上销售的钻石一般不需要声明它的天然属性。但是，区别合成钻石与天然钻石仍有一些方法可遵循。

1合成钻石的颜色

由于很难排除掉生长舱中的氮，大部分合成钻石多为含孤氮杂质的Ib型钻石，常呈**至褐**。有时也在生长舱中引入硼原子，随机取代钻石结构中的碳原子，产生具有导电性的蓝色IIb型钻石。为了生长出无色的合成钻石，常使用一种称为“氮吸收剂”的金属，如锆或铝。因为氮更易与这些元素结合，而不再取代钻石中的碳原子，这样就产生了无色的IIa 型钻石。所以，合成钻石很少出现 Ia 型钻石(该型钻石约占天然钻石的98%)。

2吸收光谱

绝大多数天然钻石(Ia型)显示415nm吸收线，而合成钻石无这种特征吸收线。

3紫外荧光

通常合成钻石在短波紫外线下的荧光比长波下的荧光强，且荧光颜色为**或黄绿色，而不是天然钻石的蓝或蓝绿色。合成钻石紫外荧光的颜色分带式样所表现的立方-八面体式样，与天然钻石的八面体式样也是完全不同的。

4包裹体

合成钻石有时会出现金属熔剂、尘状物、面包渣状包裹体，及“砂漏状”色带。

5仪器

针对合成钻石的性质特征，戴比尔斯公司研制了两种鉴别合成钻石的仪器。即钻石光谱鉴定仪(Diamondsure)和钻石结构荧光鉴定仪(DiamondView)。利用钻石光谱鉴定仪可观察到大部分天然钻石中的415nm吸收线。如果发现有415nm吸收线，便不需进行进一步的检测。钻石结构荧光仪可用来观察合成钻石紫外荧光所表现出的立方·八面体式样，这是由于不同的生长区和生长带含杂质的浓度不同所致。

思考题

一、是非判断题

1珠宝市场上最常见的合成宝石是玻璃。

2钇铝榴石的代号是GGG。

3有无气液相包裹体是区分水晶与合成水晶的主要证据。

4用水热法可生产祖母绿，也可生产红宝石。

5弧形生长线是助熔剂法合成宝石的特征之一。

6摩尔硬度大于7的人工宝石中有SrTiO3这个品种。

7目前市场上的合成变石是水热法产品。

8见到小片状铂或合金包裹体的合成宝石即水热法的产品。

9合成祖母绿常见的针柱状、柱状包裹体，可以是方解石。

10合成的红宝石的色带总是弯曲的。

11钇铝榴石的代号是GGG。

12有无汽液相包裹体是区分水晶与合成水晶的主要依据。

二、选择题

1区分绿碧玺与合成绿色水晶时应使用：( )

a滤色镜

b偏光镜

c折光仪

2一般讲，助熔剂法合成宝石中的液滴状的包体是( )

a助熔剂的残余

b捕虏来的液体

c填隙的后生气液包体

3区分水热法合成红宝石与红宝石时，要观测：( )

a折射率

b有无同生气液包体

c有无金红石或锆石等同生包裹体

4“YAG”中文名称是：( )

a钇铝榴石

b镓榴石

c钛酸锶

5人工生长的下列宝石，哪种必须在宝石名称前冠以“合成”二字：( )

a金绿宝石

b钛酸锶

c钇铝榴石

6合成变色刚玉加入的着色离子是：( )

a钒

a铬

c钛

7任何一种具有与天然无机宝石相同化学成分，原子结构和物理性质的人工生长晶体都应称为：( )

a人造宝石

b人工宝石

c合成宝石

8用焰熔法可以合成( )

a钇铝榴石

b祖母绿

c尖晶石

d立方氧化锆

9冷坩埚(熔壳)法生产立方氧化锆所需的热来自( )

a液化石油气

b丙烷和氯

c高频电流

d高温电阻

10合成绿色水晶：( )

a有强二色性

b无二色性

c有弱二色性

11目前合成宝石或人造宝石中色散最强的是：( )

aα-SiC(α-碳硅石)

bSrTiO3(钛酸锶)

cTiO2(金红石)

12从熔体结晶的人工宝石中不会含( )

a气—液两相包裹体

b同生的气-液两相包裹体

c后生的气液两相包裹体

13目前人造GGG由以下途径形成：( )

a从熔体中结晶

b从溶液中结晶

c从气体中结晶

14助熔剂法合成祖母绿中的特征包裹体为：( )

a同生气液两相包裹体 b固相-气相两相包裹体 c指纹状气液两相包裹体

15提拉法合成变石的特征包裹体为：( )

a愈合裂隙中三相同生包裹体

b指纹状气液两相包裹体

c弯曲生长纹

16腰棱标有“GE POL”的改成白色的钻石是：( )

a用褐钻改的

b用**钻石改的

c用劣质绿色钻石改的

17下列仿钻材料中，热导率最接近钻石的是：( )

a合成CZ

b合成α-SiC

c合成刚玉

三、多项选择题

1合成Moissanite(α-SiC)的物理性质是：( )

a有一个n值为2417

b有双折射

c热导率高于钻石

d维氏硬度与钻石十分相似

e反射率高于钻石

2仿宝石 Imitation stones是指( )

a人工宝石模仿天然宝石的颜色、外观者

b人工宝石模仿天然宝石的特殊光学效应者

c某天然宝石模仿另一种天然宝石的特征

3天然水晶与合成水晶：( )

a可有菱面体与六方柱等单形组成晶体外形

b其化学式是SiO2·nH2O

c可有较强的多色性

d晶面条纹平行C轴

e任何切面上都有一个固定不变的折射率为1544

四、填空题

1焰熔法合成尖晶石的密度和折射率比镁铝尖晶石都( )。

2合成刚玉宝石主要方法有( )、( )、和( )。

3人造与合成宝石中代号CZ是( )，GGG是( )。

4合成紫水晶不仅需要在原料中加着色元素( )，还需经( )处理。

5合成宝石指其制取的全部或部分工艺过程是由人控制进行的。它们的( )、( )与它们所)和(对应的天然宝石基本相同。

6除拼合石之外，人工宝石的制造方法可分为：从熔体中结晶或冷凝，从( )中结晶及从( )中结晶，和( )等。

7水热法合成祖母绿的特征包裹体形状常为：( )、( )、( )。

8与水热法相比，助熔剂法合成宝石的优点是能在( )情况下加热熔剂和熔解各种原料，并使晶体在熔体中结晶。

9水热法合成的红宝石内部可见：( )、( )、( )、金属包裹体和( )。

钻石基本性质：

1、摩氏硬度为10，为自然界现今已知硬度最高的物质；

2、导热性好；

3、斥油亲水；

4、折射率高。

切工对钻石的品质有很重要的影响，切工是“4C”中是唯一可人为影响到的。只有比例合理、相同切面完全一致的钻石，光线折射后较为集中，可呈现出绚丽火彩，可完美体现钻石自然之美。而切工较差的钻石，光线折射后发散，使钻石显得暗淡无光。因此切工对钻石 品质影响有重要的因素，国际惯例，切工最高可影响到钻石价格的40%

钻戒颜色使用F-G来衡量的，F级是无色级，只有专业的珠宝专家可以检测到颜色，属于高品质钻石，G级接近无色，和级别高的钻石比较，会有轻微的颜色，但是这种钻石的价值还是很高的。

在无色到**的钻石中，钻石越接近无色，价值越高，钻石颜色越偏黄，价值就会越低。级别在z以下就称之为彩钻，不同颜色的彩砖颜色越浓价值越高。

钻石颜色等级

由D级往下，价格也变低，每个色级价格一般差10%-45%，高色级间的差价比低色级间的差价高。

D级：钻石中的最高等级，纯净无色，堪称完美，是钻石中最难得的存在，稀有性强。

E级：高品质钻石，无色级，一般的人无法从中看出颜色，只有少量的珠宝鉴定专家才能鉴定出颜色来。

F级：比E级稍低的高品质钻石，除非是珠宝鉴定专家，否则难以检测出其中的颜色。

G~H级：虽然是接近于无色，但是相比于无色高品质钻石而言，内里有稍显清淡的**。

I~J级：仍旧接近无色，但是内部同样具有轻微**。

K~M级：一般人很明显的就能看到其中的颜色，且本身颜色稍显暗淡，等级低，火彩和光泽度差。

除了钻石的颜色之外，衡量钻石好不好还可以从净度、切工、重量上来区分，和钻石的颜色一起组合起来就是4C。

培育钻石能检测出来，不过肉眼是判断不出来的，一般主要看专业坚定的证书。

GIA证书对培育钻石与天然钻石会区别开来，不过IGI对培育钻石持更开放包容的态度。IGI对培育钻石和天然钻石分级用的是一套相同标准，不过IGI证书的Comments（备注）中会注明该培育钻石是HPHT法或CVD法合成，如果该培育钻石是TypeIIa型，也会特意注明。早期证书可能未注明上述信息。

IGI（全称International Gemological Institute，即国际宝石学院）成立于1975年的世界钻石中心比利时的安特卫普，是目前世界上最大的独立宝石学鉴定实验室和宝石学研究教育机构，是世界第一张完整全面的钻石切工评级表的制定者，是世界三大权威鉴定机构（GIA、IGI、HRD）中真正意义上唯一的跨大洲全球性实验室。

IGI对培育钻石和天然钻石分级用的是一套相同标准，因此在培育钻石国际市场中，IGI证书是培育钻石中的主流。

IGI培育钻石证书，其颜色、净度、切工分级与天然钻石一致，在此不再赘述。但有三点主要注意的地方。

1⃣

IGI证书的Cut Grade（切工等级）相较于大家熟知的GIA证书切工分级，多了IDEAL级别。在IGI的切工分级体系中，Ideal>Excellent>Very Good>Good>Fair>Poor。因为大家对IDEAL级别切工，一般将Ideal和Excellent都称为EX切工。

2⃣

由于不同地区实验室的版本不同，IGI证书早期存在两个版本，纽约、hk等实验室为图一的横版，安特卫普、孟买等实验室为图二的竖版，市面上的IGI培育钻石可以见到上面两种，均为IGI证书，但最新证书已全球统一为横版证书。

阿波罗蓝钻耳环一对1454克拉。

阿波罗蓝钻获美国宝石学院（GIA）评为艳彩级别，重达1454卡拉，为拍场上最大的内部无瑕艳彩蓝钻。 此枚美钻经精心打磨及切割成梨形，充分彰显其浓艳色泽，其更获GIA鉴别为Type IIb类型，当今只有不足05%的钻石属此类别。

在希腊与罗马神话之中，钻石一直被视为天神之泪。 而阿波罗是古希腊及罗马神话中最重要的奥林匹斯诸神之一，拥有理想的完美体态，乃音乐、真理、预言、治愈、光明与诗歌之神。 希腊文化时代，阿波罗被称为泰坦太阳神赫利俄斯，姊姊阿特米斯则被视作泰坦月神塞勒涅。

另外，阿特米斯，即罗马神话中的黛安娜，乃古希腊众神中最备受尊崇的女神，掌管狩猎，庇佑野兽、旷野、生育、贞洁，并守护少女。 她亦是月亮女神，常被描绘成手持弓箭的女猎人，伴以雌鹿与狗为其圣兽。

天然蓝钻的产生：

天然蓝色钻石十分罕见，属于IIB型。天然蓝色钻石不含氮元素，但含极少量的硼元素。硼原子在钻石的晶体中产生一个受子能带。受子能带能够吸收近红外辐射和长波，因而使钻石呈现蓝色。

受子能带与价带之间的能差很小，价带电子在热的作用下即可跃迁到受子能带，使钻石导电，所以蓝色钻石是半导体。

辐射所产生的GR1色心也会使不含氮的无色IIA型钻石产生饱和度较低的蓝色。这种GR1致色的蓝色钻石不含硼，它的红外吸收光谱不具典型的蓝色钻石和吸收峰。

1、从颜色角度

从颜色的角度来看，钻石有白钻、红钻、蓝钻、绿钻等，其中白钻是常见的钻石饰品镶嵌的钻石，纯洁透明象征着圣洁和永恒的爱情:红钻有粉红到鲜红组成，主要的产地是澳大利亚，是比较稀有的品种:蓝钻主要有天然到深蓝色，这种颜色的钻石比较特别的地方就是，它含有具有导电性能的硼元素。

2、从等级角度

如果从等级的角度来划分的话，钻石有多少种从钻石4C也就是重量、颜色、净度、切工等角度，可能多达上千种，因为从重量的划分，有10分、20分、50分、一克拉等等:从颜色的角度有D-Z的划分。

从净度的角度有FI、IF等:从切工角度有EX、vG、 G、FAIR、POOR等划分，这几种因素排列组合的话，会有很多的种类型。

扩展资料

钻石的颜色包括三大系列：

开普系列：包括无色、浅黄至**钻石;

褐色系列：包括不同强度的褐色钻石;

彩色系列：包括粉红、紫红、金黄、蓝色、绿色等钻石。

大部分的宝石级钻石，其颜色属于开普系列中的无色-浅**系列，这个系列钻石也是消费者日常购买的最多的品种，其中颜色越白的钻石，越为稀罕、珍贵，价值越高。 

钻石的颜色等级划分

D级：完全无色级。最高的颜色等级，十分稀有。

E级：无色级。只有专家级的珠宝师才能察觉到细微色迹。属于稀有钻石。

F级：无色级。只有专家级的珠宝师才能察觉到细微颜色，但仍可视为“无色级”，属于高品质钻石。

G-H级：接近无色级。在与更高级别钻石比较时可见颜色，但性价比极高。

I-J级：接近无色级。颜色轻微可见，性价比超群。

K-M级：颜色可见级。

N-Z级：颜色可见级。

-金刚石

世界上最贵的矿石是蓝色钻石。

蓝色钻石，是彩色钻石的一种。蓝色钻石是因为硼原子在钻石的晶体中产生一个受子能带。受子能带能够吸收近红外辐射和长波，因而使钻石呈现蓝色。天然蓝色钻石十分罕见。可以人工合成蓝色钻石，合成钻石对加入适量的硼元素即可产生蓝色。

合成钻石对加入适量的硼元素即可产生蓝色。在合成钻石过程中主要是在装填原料时氮分子会残留其中，所以合成蓝色钻石往往带有绿色。合成蓝色钻石所呈现的编绿色调是由离散氮元素对短波可见光吸收所造成的。

天然蓝色钻石十分罕见，属于IIB型。天然蓝色钻石不含氮元素，但含极少量的硼元素。硼原子在钻石的晶体中产生一个受子能带。受子能带能够吸收近红外辐射和长波，因而使钻石呈现蓝色。

受子能带与价带之间的能差很小，价带电子在热的作用下即可跃迁到受子能带，使钻石导电，所以蓝色钻石是半导体。

辐射所产生的GR1色心也会使不含氮的无色IIA型钻石产生饱和度较低的蓝色。这种GR1致色的蓝色钻石不含硼，它的红外吸收光谱不具典型的蓝色钻石和吸收峰。