常见人工合成宝石的肉眼鉴别

沈才卿　于春敏

第一作者简介：沈才卿，中宝协人工宝石专业委员会第一届副主任委员，第二、三届常务副主任委员兼秘书长，核工业北京地质研究院成矿模拟实验室高级工程师。

人工合成宝石由于是在实验室或工厂里生产出来的，所以，在科学技术高度发达的今天，生产出的人工合成宝石对天然宝石的逼真性已经可以达到以假乱真，真假难辨的程度。并且，人工合成宝石的成色相当于所对应天然宝石的最高档次，这个特性可使人工合成宝石作为仿真首饰的理想材料，但也被一些不法商贩利用来谋取暴利，坑害消费者。因而，学会一些人工合成宝石的肉眼鉴别方法是有好处的。

一、无色合成立方氧化锆与钻石的肉眼区分

已经镶嵌好的仿钻石材料合成立方氧化锆与钻石的肉眼区分不能用它们之间的硬度和相对密度来区分，但可以用下面三种方法来加以区分。

1）利用折射率和色散的不同进行区分：合成立方氧化锆的折射率是218，色散为0060，在标准圆钻形切工下闪烁红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光谱色，光芒刺眼，行内人称之为“贼”光；钻石的折射率242，色散为0044，圆钻形切工下闪烁以橙光为主，兼有蓝光，光芒比较柔和，有经验的人一眼就能看出。

2）利用钻石亲油性，合成立方氧化锆亲水性的特点来区分：将台面擦干净，用手指指面摁一下台面，若见台面上留下清晰指纹的是钻石；或者用钢笔划台面，能出现一条线的是合成立方氧化锆；或者用原子笔划台面，出现一条线的是钻石。

3）用钻石选择仪（热导仪）测定最可靠，因为立方氧化锆的导热性差，热导仪测定时变化很小，只能升高一格；而钻石的导热性比黄金还好，用热导仪测定时指示灯迅速上升，出现红色灯，并发出鸣叫声。

二、紫色合成立方氧化锆与紫水晶的肉眼区分

深紫色合成立方氧化锆与紫水晶很相像，可以用下面的方法进行区分。

1）利用折射率不同：水晶的折射率约为155，合成立方氧化锆的折射率是218，所以，有强烈闪光效应的是合成立方氧化锆。

2）利用偏光镜检查：合成立方氧化锆是等轴晶系矿物，在偏光镜下转动360°没有明暗的变化，而水晶在偏光镜下转动360°时有四明四暗的变化。

三、水热法合成祖母绿与天然祖母绿的肉眼区分

用水热法合成的祖母绿非常漂亮，与高档天然祖母绿很难区分，可以用下面的方法鉴别：

1）将祖母绿宝石放在黑色底板上，用聚光手电照射宝石晶体，能够见到红色至暗红色的是水热法合成的祖母绿，天然祖母绿没有这个现象。

2）用10倍放大镜观察祖母绿晶体的特征包裹体——三相钉状包裹体，水热法生长的祖母绿晶体中的三相钉状包裹体出现在同一个平面上（图1），有时在不同的平面上可出现多组三相钉状包裹体群，而天然祖母绿中的三相钉状包裹体是分散无序的。

图1 水热法合成祖母绿三相钉状包体

四、焰熔法合成红宝石与天然红宝石的肉眼区分

市场上常见的合成红宝石是焰熔法合成的红宝石，晶体透亮、颜色鲜艳、个体大。肉眼鉴别时注意三点：

1）大部分中低档的天然红宝石都有绺裂，有时能见到120°交角的二组或三组生长线或绺裂；焰熔法合成红宝石几乎看不到绺裂，更看不到120。交角的生长线。个别制假者将合成红宝石加热淬火人工造绺裂，这种绺裂处于表面，并且没有规律性，杂乱无章，也就是乱七八糟的裂纹。

2）天然红宝石的颜色一般深浅不均匀，而焰熔法合成红宝石的颜色鲜艳均匀。

3）天然红宝石中经常能见到固体矿物包裹体，或热处理后破碎的气液包裹体“爆裂”的痕迹，即指纹状包裹体；而焰熔法合成红宝石很干净，找不到固体矿物包裹体，至多能偶然在10倍放大镜下找到气体包裹体或面包屑状的原材料固体包裹体。

4）用二色镜区分：天然红宝石从台面看是紫红/橙红；焰熔法红宝石二色性与此相反。

5）看生长线：天然红宝石若有明显的生长线，一定是直线，且相互成120。的交角；若焰熔法红宝石有生长线，一定是弯曲的（图2）。

图2 焰熔法合成红宝石生长线

五、焰熔法合成蓝宝石与天然蓝宝石的肉眼区分

市场上常见的合成蓝宝石主要是焰熔法合成蓝宝石，与天然蓝宝石的肉眼区分有下列几点：

1）大部分天然蓝宝石在透射光下能见到蓝色相互平行的生长线（观察时注意晃动宝石），有时能见到二组或三组互成 120。交角的蓝色生长线（图3）；而焰熔法合成蓝宝石基本上找不到生长线，若能找到，也是一些弯曲的生长线。

图3 天然蓝宝石互成120°交角的生长线

2）利用二色性鉴别：天然蓝宝石从垂直台面看是蓝色的，从平行台面看是绿色的，若天然蓝宝石在切磨加工时没有垂直c轴作台面，则可从垂直台面方向看到一边偏蓝，一边偏绿的蓝绿色，有此特征的，就可判断是天然蓝宝石；焰熔法合成蓝宝石的二色性是蓝和蓝紫色。

3）我国产焰熔法蓝宝石经常出现晶体边上色蓝，越往中心越无色、甚至白色的现象，故平行蓝宝石的腰看，若亭部是白色的，就是焰熔法合成蓝宝石，可与天然蓝宝石区分。

六、蓝色高折射率稀土仿宝石玻璃仿蓝宝石与天然蓝宝石的肉眼区分

在仿真首饰中，蓝色高折射率稀土仿宝石玻璃仿蓝宝石用得比较多，它与天然蓝宝石的肉眼区分有下面几点：

1）用偏光镜检测：蓝色稀土仿宝石玻璃为非晶质体，在偏光镜下转动360°时没有明暗的变化，而天然蓝宝石在偏光镜下转动360°时有四明四暗的变化。

2）用二色性检测：天然蓝宝石从垂直台面看是蓝色，从平行台面看是绿色；高折射率稀土仿宝石玻璃没有二色性。

3）用热导仪检测：将热导仪调节到四格绿色，若测定宝石时热导仪指示灯迅速上升3格至4格，则为天然蓝宝石；若不变化或仅上升1格，这是高折射率稀土仿宝石玻璃。

4）根据硬度区分：天然蓝宝石的摩氏硬度为9，高折射率稀土仿宝石玻璃的摩氏硬度为55，故用样品划玻璃，划出痕迹来的是天然蓝宝石，打滑的是高折射率稀土仿宝石玻璃。

七、焰熔法合成的蓝色尖晶石与天然蓝宝石的肉眼区分

焰熔法合成的蓝色尖晶石很像天然蓝宝石，可用下述方法进行肉眼区分：

1）用偏光镜检查：尖晶石属于等轴晶系矿物，在偏光镜下转动360°没有四明四暗的变化，而天然蓝宝石在偏光镜下转动360°时有四明四暗的变化。

2）用二色镜检查：天然蓝宝石有二色性，即垂直台面看是蓝色，平行台面看是绿色；合成的蓝色尖晶石没有二色性。

3）用热导仪检测：将热导仪调节到指示灯4格绿色后测定宝石，焰熔法合成蓝色尖晶石上升到3格**，天然蓝宝石出现4格**。

4）用查尔斯滤色镜检查：焰熔法合成的蓝色尖晶石在查尔斯滤色镜下为红色，天然蓝宝石在查尔斯滤色镜下不变色。

八、人工合成星光红宝石和星光蓝宝石与天然星光红宝石和星光蓝宝石的肉眼区分

人工合成星光红宝石和星光蓝宝石很漂亮，星线明亮，吸引不少人购买它。它与天然星光红宝石和星光蓝宝石的肉眼区分比较容易：

1）用聚光手电照射星光宝石戒面，若有六条清晰明亮而且细长的线，且交汇点很细的是人工合成的星光红宝石和星光蓝宝石（图4）；天然星光红宝石和星光蓝宝石的六条星线是短粗的，交汇点不清晰，且有加宽加亮成一个亮团的现象，其星线自交汇处向外逐渐变细，可见到的星线长度比合成星光宝石的星线短很多（图5）。

图4 合成星光红宝石

图5 天然星光红宝石

2）人工合成星光红宝石和星光蓝宝石的基体颜色鲜艳、明亮而均匀；天然星光红宝石和星光蓝宝石的基体颜色通常深浅不一致、不鲜艳，山东省昌乐地区出产的星光蓝宝石的基体多为铜皮色。

3）从宝石反面看生长线，若见到弯曲生长线，则可以确定为焰熔法合成的星光红宝石和星光蓝宝石。

九、玻璃仿水晶（包括仿紫水晶）与天然水晶（包括紫水晶）的肉眼区分

用铅玻璃仿水晶和用高折射率稀土仿宝石玻璃仿紫水晶在市场上比较多见，它们的肉眼区分方法如下：

1）用手心或嘴唇接触宝石，有凉感的是天然水晶；玻璃质的仿水晶有温感。

2）用偏光镜检查：在偏光镜下转动360°有四明四暗变化的是天然水晶，没有变化的是玻璃质仿水晶。

3）用二色镜检查：天然紫水晶有二色性，深色的天然紫水晶有红紫/紫色或蓝紫/紫色的二色性；玻璃质仿水晶制品没有二色性。

4）用10倍放大镜在透射光下检查，能找到气泡的基本上可以定为玻璃质仿水晶。

5）用硬度为6的长石作试验石，将宝石在长石上划，能划出刻痕的是水晶，打滑的是玻璃质仿水晶。若没有长石，也可以直接在玻璃上划，能划出刻痕的是水晶，没有刻痕的是玻璃质仿水晶。

6）用热导仪检测：将热导仪调节到绿色4格测试宝石，水晶能上升至**2格，而玻璃仿水晶制品不上升，当面积大时上升至**1格。

十、玻璃仿翡翠与天然翡翠的肉眼区分

市场上的玻璃仿翡翠透明度高（行话水头好），绿色浓度深，很漂亮，非常吸引人的眼球，因此很容易上当。这种玻璃仿翡翠实际上是一种加铬离子的微晶化玻璃（也有人称之为合成莫莱石）。肉眼鉴别时可采用下列方法：

1）在透射光照射下，用10倍放大镜观察：没有翡翠的镶嵌结构（行内人称翠性结构）的是玻璃仿翡翠。

2）若在馒头形戒面的背面（平面）有一个凹坑的，是玻璃仿翡翠，这是因为玻璃熔融液在冷却过程中体积要收缩引起的。

3）颜色绿而呆板，在透射光下透明，可见到铬离子形成的许多绿色的点，有时还能见到玻璃熔融液在冷却过程中被俘虏在玻璃体中的气泡，这些都是玻璃仿翡翠的特征。天然翡翠是没有这些特征的。

十一、人工合成仿珍珠与天然珍珠的肉眼区分

人工合成仿珍珠是用蚌壳粉、珍珠精液（人工合成）、胶等混合在一起制成的，外观又圆又光亮，大的小的都有，肉眼区分时注意两点：

1）天然珍珠（包括养殖珍珠）的两个珠轻轻摩擦时不打滑，有摩擦力，俗话说发“涩”；合成仿珍珠的两个珠磨擦时打滑。

2）人工合成仿珍珠表面光滑，天然珍珠在放大镜下总能找到生长纹、生长丘、凹坑等“毛病”。

十二、玻璃纤维仿猫眼宝石与天然猫眼宝石的肉眼区分

利用光导纤维加玻璃套管生产的玻璃仿猫眼宝石有二十多种颜色，有些品种很像天然猫眼宝石，鉴别时注意下面两点：

1）玻璃纤维仿猫眼宝石一定是不透明的，并且一定是磨成馒头形（行话叫素面形），我们从侧面看抛物面与底平面连接处，能见到蜂窝状结构的是玻璃纤维仿猫眼；天然猫眼宝石（金绿猫眼，这里也指石英猫眼、木变石猫眼、海蓝宝石猫眼、矽线石猫眼等特征）只能从背面见到平行线结构，找不到蜂窝状结构。

2）利用硬度的不同作刻划长石的试验，所有天然宝石猫眼的硬度都大于摩氏硬度 6，所以都能在长石上刻划出划痕来；玻璃纤维仿猫眼的摩氏硬度小于6，所以刻不动长石，在长石上打滑。若没有长石，也可以在玻璃上刻划，能划出“道痕”的是天然猫眼宝石，划不出“道痕”或打滑的是玻璃纤维仿猫眼。

十三、合成琥珀与天然琥珀的肉眼区分

合成琥珀一般是用有机物（树脂、塑料等）制作的，区分时可以用两种方法：

1）在衣服上用力摩擦，然后快速放到鼻子底下闻，有松香味的是天然琥珀，有臭味、硫磺味或香水味的是合成琥珀。

2）若有条件的话，可以用烧红的针刺入样品，样品会冒烟，若闻到松香味的是天然琥珀，闻到臭味的是合成琥珀。

参考文献

何雪梅，沈才卿，吴国忠1196宝石的人工合成与鉴定北京：航空工业出版社

何雪梅，沈才卿2005宝石人工合成技术北京：化学工业出版社

沈才卿，吴国忠1994人造宝石学北京：中国地质大学出版社（内部）

张蓓莉，王曼君等1997系统宝石学北京：地质出版社

中华人民共和国国家标准GB/T16552—2003珠宝玉石鉴定

中华人民共和国国家标准GB/T16552—2003珠宝玉石名称

　　钻石不是制作出来的，人们只是对它进行加工；

　　"钻石其实并不是打磨出来的，是用专业的切割刀具切割的,因为钻石的物理硬度是所有物质之首,大师们所用的工具的刀头也都是用钻石做的，只有精良的切割工艺才能成功地用钻石切割钻石。

　　钻石的切割过程

　　1划线：又叫标记，这是钻石切割的第一步，先检验钻坯、并在钻石表面做标记，要尽可能高地体现钻石的价值，划线员必须留意两点：既要尽量保持最大的重量，又要尽量减少内含物。

　　2 劈割：劈割师将划好线的钻坯安放在套架上固定，然后用另一颗钻石沿分割线削一个凹痕，再把方边刀具放在凹痕上，用手锤在劈刀上以合适的力敲击，钻石会沿纹理方向被劈成两半或多块。

　　3锯切：由于只有钻石才能切割钻石，因此锯片是一张在边缘涂有钻石粉及润滑剂的圆片。钻石固定在夹子上，锯盘以高速旋转，即可将钻石锯开。现代激光技术引入钻石切割，大大提高了钻坯的加工效率。

　　4 成型：锯开或劈开的钻石再送到打圆部门去打圆、成型，即按照设计要求将钻石做成设计的形状。

　　5起瓣、抛光：在一个涂有钻石粉和润滑油的铸铁圆盘上，车磨出所有瓣面（刻面），使钻石发出诱人的光彩

　　随着科学技术的进步，激光技术、电子计算机记述的引入，可以使钻坯的设计、切磨更加精确无误。但是，并不是每颗钻坯都必须经过全部五道工序，这须视钻坯的本身特点、所要达到的目标而定，但是任何钻石毛坯，有两道工序是必不可少的，这就是“划线”、“起瓣、抛光”。“扁平状”钻坯可能就不用劈割这道工序，加工祖母绿钻石就不须经“打圆”的工序。切割世界上最坚硬的宝石——钻石，不仅需要先进的设备，更需要切割师由丰富的经验、高度责任心和全神贯注，才能释放钻石全部的灵彩。钻石经过若干人之手，通过加工、镶嵌、制作后才成为一件钻石"

沈才卿

作者简介：沈才卿，中宝协人工宝石专业委员会第一届副主任委员，第二、三届常务副主任委员兼秘书长，核工业北京地质研究院成矿模拟实验室高级工程师。

一、金刚石的性质

金刚石的化学成分是碳（C），可含有硼和氮等杂质。

结晶状态：晶质体。

晶系：等轴晶系，常见八面体、菱形十二面体、立方体等晶形，晶体常发育阶梯状生长纹、生长锥或蚀象。

常见颜色：①白色系列，无色至浅黄、浅褐；②彩色系列，深黄、褐、灰色，浅至深的蓝、绿、橙黄、粉红、红、紫红色，偶见黑色。

光泽：金刚光泽。

摩氏硬度：10。

密度：（352±001）g/cm3。

光性特征：均质体，偶见异常消光。

折射率：2417。

双折射率：无。

色散率：0044。

紫外荧光：长波下荧光从无至强均有，荧光颜色有蓝色、**、橙**、粉色等，短波较长波的荧光弱。

特殊性质：钻石热导率高于所有其他物质（最近人工合成的碳硅石除外），另外，发光性较特殊，将钻石置于日光下暴晒后，会发出淡青蓝色的磷光；在X射线照射下大多数发天蓝色或浅蓝色荧光，极少数不发荧光；在阴极射线下发蓝色或绿色光。

无论是天然金刚石还是人工合成金刚石，它们对所有的酸都是很稳定的，甚至在高温下酸也不能在金刚石晶体上显示出任何作用；但是，金刚石在碱、含氧盐类和金属等溶体中，很容易受浸蚀。由于金刚石的成分是碳，所以在纯氧中温度达到700～780℃可燃烧；在空气中不断加热至800～1000℃时也可燃烧；在真空中800～1700℃条件下，仅在结晶表面的薄层有石墨化，内部无变化；在惰性气体中，约1700℃以上时，整个结晶体迅速发生石墨化，最后成为石墨粉末，石墨化的开始温度随结晶体而异，在1600～1800℃之间。金刚石的熔化温度为（3700±100）℃。有缺陷的金刚石晶体，在加热时往往破裂，但结晶完好的金刚石晶体可以加热到1800～1850℃，且可急速冷却，此时它们不仅没有被破坏，反而由于消除了局部应力而使晶体得到强化。

最常见的金刚石晶体是八面体，其次是斜十二面体，真正的立方体是很少的。金刚石的硬度最高，却很容易裂开，它最容易沿晶体面网间距最大的（111）面裂开，这个面也称金刚石的“解理面”，著名的金刚石“库利南”原石重 31069克拉，就是利用金刚石的解理面劈成许多小块的。对于晶体完好、无可见缺陷的金刚石来说，将晶体劈开的压力在300～1000N/cm2之间。

二、金刚石的人工合成历史、方法和原理

1人工合成金刚石的历史

1953年人工合成金刚石首次在瑞士 ASEA公司试验成功，但没有报道。1955年2月15日美国通用电气公司最先报道了人工生长金刚石获得成功的消息，取得了发明权。自此，世界各国纷纷进行人工合成金刚石的试验和开发，起初人们只能大量合成出细小的、质量不高的工业级金刚石，主要供工业方面应用。但人们一直在设法长出优质的金刚石大单晶。终于在1970年，美国通用电气公司宣布用晶种法、经过七天时间生长出了5～6mm的宝石级金刚石，晶体重量达1克拉左右。后来，他们致力于提高晶体生长速率的研究，只需几十小时就可生长出上述同样大小的金刚石。1992年，该公司合成出热导率比天然金刚石大2倍的超级金刚石，颗粒重量达到3克拉。南非 De Beers公司在20世纪70年代初能生长出宝石级金刚石，1987年生长出了1114克拉的大单晶，是浅**、透明的宝石级八面体歪晶形金刚石，1990年又宣布生长出了143克拉的金刚石大单晶，资料表明，后来又合成出重30多克拉的黄—棕色金刚石晶体。前苏联科学院西伯利亚分院1990年宣布生长出了75mm，重15克拉的不同颜色的宝石级金刚石。他们是目前世界上唯一能将人工合成钻石（通常将加工好的金刚石称钻石）进入市场的国家。如今，俄罗斯与泰国的合资企业 Tairus公司生产人工合成钻石，既供裸钻又供镶嵌好的钻饰。据报道，美国向俄罗斯购买了人工合成宝石级金刚石的技术，因此，市场上也有美国生产的人工合成钻石。

2我国的人工合成金刚石历史

我国的人工合成金刚石于 1963年获得成功，由于工艺比较成熟，还有专门生产设备的厂家，供求量又大，不少乡镇企业都能生产。据1998年统计，我国有大小人工合成金刚石厂3000家左右，年产量5亿克拉左右，但这些人工合成金刚石都比较小，只能作工业用，其质量属于工业级。对于大颗粒金刚石，曾于1974年由上海硅酸盐研究所用金属薄膜法生长出了优质金刚石大单晶，并于1977年生长出最大达4mm，重量达029克拉的含硼半导体金刚石大单晶，后于1985年又采用晶种法获得了直径32mm，重量为02克拉的优质人工合成金刚石大单晶。但直到现在，我国尚未进入商业生产人工合成宝石级金刚石的行列，也就是说，珠宝首饰市场上至今没有我国生产的人工合成钻石。据2002年年中的不完全统计，我国人工合成金刚石厂有4000～5000家，但生产单颗粒工业级人工合成金刚石的厂家只有450家左右，其他主要是生产聚晶金刚石或生产金刚石制品的。然而，这450家左右的人工合成工业级金刚石厂的产量较大，从消耗的原材料与触媒量估算（原材料与触媒的用量与人工合成金刚石的产量之间有一定的比例），我国人工合成工业级金刚石的年产量应当有12亿克拉左右，估算年生产能力可达15亿～20亿克拉。通过强强联合或兼并，我国目前年产量达2000万克拉人工合成工业级金刚石的厂有10家左右，最大的厂家可达年产量1亿～2亿克拉人工合成工业级金刚石。六面顶金刚石压机用的叶蜡石外形见图1，合成金刚石原料分选机见图2。

图1 六面顶金刚石机用叶蜡石外形

3我国人工合成工业级金刚石的优势与劣势

我国人工合成工业级金刚石年产达12亿克拉左右，但目前全世界年产人工合成工业级金刚石（除中国外）有7亿～8亿克拉，其中主要生产国及公司有：俄罗斯，年产 2亿克拉左右，美国，年产2亿克拉左右，De Beers公司年产2亿克拉左右，可见我国年产量的优势很大。但是，我国生产人工合成工业级金刚石的劣势也很大，主要差距有：①每一次合成金刚石产量（单产）的差距：国外达到单产600～700克拉；我国97%以上的人工合成工业级金刚石生产厂用的是六面顶金刚石压机，最少的单产仅10克拉左右，好的能达到单产30克拉左右，最好的能达到单产40克拉左右；二面顶金刚石压机单产较高，可达60克拉左右，可见与国外人工合成金刚石单产差距很大。②人工合成工业级金刚石质量的差距：人工合成工业级金刚石的质量主要有下列几方面：合成金刚石单颗粒抗压强度、晶体形态、热稳定性、抗冲击强度、粒度大小等，与国外主要生产国生产的人工合成工业级金刚石比，我国生产的人工合成工业级金刚石质量比较差。国内同类产品比较，二面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石的质量比六面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石质量好。③价格差距：我国出口的人工合成工业级金刚石以原料为主，每克拉平均销售价为10美分左右；国外的人工合成工业级金刚石原料平均售价70～80美分，最高售价可达1～2美元。价格是由产品质量决定的，这也印证了我国生产人工合成工业级金刚石的质量较差的评价。④设备的差距：国外以二面顶金刚石压机为主要生产设备，其压力相当于6000～10000t，合成腔的体积大，所以单产高；我国有97%的人工合成金刚石是用六面顶金刚石压机生产的，其优点是投资低，技术难度不高；但缺点是合成压腔小，单产低，质量差；对于二面顶金刚石压机来说，其压力比六面顶金刚石压机大，但压力相当于2500吨，比国外的二面顶金刚石压机的压力小很多，合成腔也比国外的小，所以单产比较低。我们能把压力提高吗？！难。据说主要是国内生产的相当于6000吨压力用的合成腔材料质量达不到要求。目前，国内已有单位从国外引进相当于6000吨压力的金刚石压机用以生产高质量的人工合成工业级金刚石。

图2 合成金刚石原料分选机

4我国人工合成金刚石的最新进展

1）在20世纪90年代，原国家建材部人工晶体研究所，曾用化学气相沉淀法（CVD）法生长出2mm厚、5mm边长的黑色金刚石戒面供应市场。据北京航空航天大学陈汴琨教授介绍，2006年我国某单位已能用此法生长出厚1mm左右，面积100cm2左右，重量为150克拉的金刚石块体，只不过价格还偏高，这样一块金刚石原料的价格在1万元人民币左右。

2）2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原 CO2合成金刚石”研究中，实现了在440℃的低温条件下，以CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。陈乾旺教授和同事们自行研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的CO2作原料，使用金属Na作为还原剂，在440℃和80MPa的条件下，经过12h的化学反应，终于将CO2还原成了金刚石。目前，已能生长出12mm的金刚石，有望达到宝石级，CO2转化金刚石的产率达89%,X射线衍射及拉曼光谱的分析结果都证实，这些合成的颗粒就是金刚石，它无色、透明，可与天然金刚石媲美。该工艺重复性很好，用其他碳源和还原剂也取得了成功，有关结果已申请国际专利。

5人工合成金刚石的原理

众所周知，金刚石的化学成分与石墨相同，都是碳（C），但石墨很软，金刚石很硬，区别在于石墨为六方结构，金刚石为立方结构。要把石墨的六方结构转化成金刚石的立方结构，条件很苛刻，需2700℃温度和125GPa的压力。这样高的温度和压力给生产设备的制造带来相当大的困难，且转化率不高。后来人们采用了过渡族金属元素铁、钴、镍、铬、锰等组成的“触媒剂”，便可以在1200℃和4GPa下使石墨转化成金刚石。石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图见图3。

图3 石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图

比较转变前后的结构变化，可以看出石墨层间距缩小了大约13×10-10m。石墨层中的相邻原子分别相对于层平面垂直方向向上和向下位移了大约25×10-10m，变成相距为50×10-11m的双层。双层中原子间以共价键连接形成了扭曲的六边形格子，原子间距伸长为154×10-10m。这样，上双层的下次层与下双层中的上次层的原子彼此完全对应，且亦相距154×10-10m。只要原来的自由 2Pz电子成对地集中到这些相对应的原子对间形成键长为154×10-10m的垂直共价键，就可以变成金刚石的结构。这种转变方式显然要比把石墨中的碳原子拆散，再重新组成金刚石的转变容易得多。目前，世界各国的人工合成工业级金刚石都采用此方法，操作时采用一片高纯石墨片，一片金属触媒片交互重叠组装后放入专用装置中，再在二面顶或六面顶金刚石压机中进行合成（图4）。但我国至今没有生产宝石级合成金刚石（通常认为要达到 5mm大小的晶体）的厂家，几乎全部是工业级合成金刚石和金刚石产品深加工企业。

图4 两面顶金刚石压机及产品

对于宝石级大颗粒金刚石的人工合成，一般采用金刚石作晶种，用金刚石粉代替石墨作碳源，生长腔的中间温度比两端高，必须采用金属触媒剂。晶种触媒法生长宝石级金刚石的两种不同合成腔结构如图5。

图5 合成宝石级金刚石的两种不同合成腔结构

其生长工艺过程如下：腔体中部（热区）放置金刚石粉（或光谱纯石墨与金刚石粉的混合物），用镍铁（1:1）合金为触媒剂，金刚石晶种安放在两端冷区，在高温超高压条件下（55GPa,1300～1400℃之间），原料区的碳源迅速溶解于熔融触媒金属液中，在温度梯度30～50℃的推动下，热区中的碳向冷区的金刚石晶种方向扩散，在温度的降低过程中必然出现部分过饱和浓度的碳，这些碳沉积在金刚石晶种上，从而使晶种不断长大成金刚石大晶体，直到碳源消耗完为止。若在原料中人为加入某些杂质，就可以使金刚石着色，如加入氮（通过加入少量的钛吸附氮元素）可获得**或绿色；加入硼则可获得蓝色，并具有半导体性质；加入足够量的钛可使合成钻石变成无色；加入一定量的铁也可使合成钻石获得近于无色的合成钻石。在这里，触媒剂既起溶解碳的作用，又起加快金刚石生长的催化剂作用。

6人工合成金刚石方法面面观

人工合成金刚石的方法很多，上面说的两种方法是最常用的方法。因不同的用途还有不同的方法，随着科学技术的发展也发明了一些新的合成方法，总共有数十种，下面介绍5种：

（1）爆炸法

利用烈性炸药爆炸时产生的高温高压使石墨转化成金刚石，但由于保持温度和压力的时间很短，所以形成的金刚石颗粒很小，平均粒度不到10μm，最大粒度约40μm，最佳情况下，每千克炸药能合成 60克拉金刚石微粉，产品适宜制造研磨膏，也可作为聚晶金刚石的原料。此法的最大优点是便宜、投资少、单次产量高（可达500克拉）。

（2）液中放电法

将含有触媒金属的石墨电极及空心圆筒石墨（或金属）作成两电极，浸在低蒸发热的液体介质中（如四氯化碳），空心圆筒电极与石墨电极同轴，当接通很大的电流电压时，两电极间产生火花放电，使液体产生冲击波，形成高温高压区，石墨可转化成金刚石。此法可获得05mm的金刚石微粉，主要缺点是产量不高。

（3）常压高温合成法

也称CVD法，这是在常压下合成金刚石的方法。此法用含碳的甲烷气体或酒精浓度的白酒作原料，在常压下经加热分解出碳原子（等离子体），在电场的作用下，游离的碳原子在金刚石籽晶表面上沉积生长出金刚石，也可以在非金刚石表面镀金刚石微粒。用这个方法生长的金刚石原来速度很慢，颗粒很细，常用于表面镀膜，例如在导弹头上用此法镀金刚石薄层。近年来，国际上对此法的研究获得了技术上的突破，生长速度大大提高，已能生长出 10克拉以上的大单晶金刚石，成为各国竞相开发的热门工艺，我国也在迎头赶超。

（4）常压真空合成法

在真空炉中放入触媒金属，再撒上石墨粉，然后抽真空加热，在900℃下恒温10h，可用于钻头和磨料的工业级金刚石就在加热的混合物中结晶析出，经过分离即可使用。

（5）还原二氧化碳合成金刚石

2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原CO2合成金刚石”研究中，实现了在 440℃的低温条件下，以 CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从 CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。

三、人工合成金刚石的用途和前景

人工合成金刚石有着广泛的用途。

1）我们常见的地质勘探用金刚石钻头，切割石头和道路的金刚石锯片（图6）。加工宝石用的金刚石磨盘、金刚石微粉抛光膏，金刚石拉丝模等等都少不了金刚石，并且用量是很大的，据1975年统计资料，全世界每年金刚石用量为125亿克拉，其中绝大部分用的是人工合成金刚石。

图6 人工合成金刚石制的锯片

除此之外，人工合成金刚石在高科技和国防工业上也有很大的用处。

2）利用金刚石的高导热性，可以用来作固体微波器件及固体激光器件的散热片，为制造微型雷达和通讯设备创造了有利条件。

3）利用Ⅱa型金刚石的半导体特性，及耐高温与散热、高硬度和抗腐蚀等优良性能，可以做金刚石整流器、金刚石三极管、金刚石温度计等，在宇宙航行中可大显身手。

4）厨具革命：在日用消费品领域，各种厨具的表面可镀上合成金刚石膜，这样，钻石的低摩擦系数使食物更不易粘在锅底；钻石的高硬度使厨具不会轻易遭到损坏等。

5）无油轴承：在现有的轴承表面镀上合成金刚石膜，可大大降低摩擦系数，不用油且不易损坏，同时可保护轴承免遭海水的腐蚀。

6）钻石窗：钻石对可见光及红外光等光谱范围内的电磁辐射是完全透明的，对高速雨滴及尘埃具有较强的抵抗力，又可迅速传导由于空气摩擦而产生的热量，这些特性使钻石在航天探测中具有重要意义。如1978年，美国先锋号宇宙探测器在对金星进行的探测中，就安装了钻石窗，由于金星的大气压是地球的近100倍，因此当探测器在金星的大气层中下降时，钻石窗既能承受巨大的热量和压力，又能使金星大气层中的红外线穿过钻石窗而不被吸收，从而使探测器能成功地测量到金星大气中的红外辐射。当时的这一钻石窗是从一块宝石级天然金刚石上切下来的，现在可以用CVD方法人工合成出类似或更大直径的钻石窗了。

7）超级计算机应用：采用数字集成电路的大型计算机的运算速度取决于信号在各块芯片之间的传送速度，人们采用了三维多芯片模块，但信号在芯片之间的高速传送会释放出大量的热量，以前用液氮来解决，现在采用芯片直接安放在高纯度的合成金刚石膜上进行散热，可大大提高超级计算机的运算速度。

由此可见，人工合成金刚石对工业的发展、科学技术的发展和国防工业的发展具有重要作用。从这里，我们也看到了人工合成金刚石或钻石的前景非常广阔。

参考文献

沈才卿，吴国忠1994人造宝石学 北京：中国地质大学出版社

郭永存等1984金刚石的人工合成与应用北京：科学出版社

何雪梅，沈才卿吴国忠1997宝石的人工合成与鉴定北京：航空出版社

何雪梅，沈才卿2005宝石人工合成技术北京：化学工业出版社

张蓓莉等1997系统宝石学北京：地质出版社

《宝玉石周刊》（报纸）2003年8月14日