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( )。

钻石是使用高速旋转的锯片切割的。钻石是硬度非常高的矿物质，但是钻石的脆性也很大，用力碰撞就会碎裂。我们在切割钻石时一般会在锯片的边缘涂有钻石粉及润滑剂的磷青铜圆片，然后将钻石固定在夹子上，锯盘以高速旋转，钻石就被锯开了。

钻石切割时要先划线，划线就是在钻石表面做标记；然后分割原石，将划线好的钻石固定在专业的固定架上，然后用另一颗钻石沿分割线划一道凹痕，再把刀具放在凹痕上，用手捶敲击刀具，钻石会沿纹理方向被劈成两半或多块。最后成型，将分割好的钻石可以按照设计要求将钻石做成设计的形状，再进一步抛光加工。

扩展资料

标记是钻石切割的第一步，先检验钻坯、并在钻石表面做标记，做这项工作的人有着丰富的经验并精通加工技术。最终目的是制造出最大、最干净、最完美的钻石，以尽可能高地体现钻石的价值。划线员必须留意两点：即既要尽量保持最大的重量，又要尽量减少内含物。划线员利用放大镜研究钻坯的结构，如果是大颗粒钻石，这项工作可能要历时数月，对普通钻坯则需要几分钟。

其次是劈割，劈割师将划好的线的钻坯安放在套架上，然后以另一颗钻石沿分割线削一个凹痕，再把方边刀放在凹痕上，以手捶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。

再次是锯切，大多数钻石并不适宜劈开，这时需要用锯切开，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磷青铜圆片。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。

最后是成型，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圆形、心形、椭圆形、揽尖形、祖母绿形等常见的切割花形，或其它特殊的形状。由于钻石是目前为止人类所认识到的最硬的天然物质，所以只有钻石才能打磨钻石，而且因钻石各个方向的硬度略有不同。所以研磨时要凭借经验，把握住钻石的基本形态：三方体、八面体、十二面体及晶体特性。一般方法是将钻坯高速旋转的车床上，然后用另一臂杆上的钻石把转动中的钻坯打圆。

参考资料：

-钻石切，

宰割原石：包含劈割和锯切

锯切：大多半钻石也不适合劈开，这时须要用锯切开，因为惟独钻石才能切割钻石，因而锯片是一张在边沿涂有钻石粉及润滑剂的磷青铜圆片。钻石牢固在夹子上，锯盘以高速转动，便可将钻石锯开。当代激光技术引入钻石切割，大大提升了钻坯的加工效率。

劈割：劈割师将划好的线的钻坯放置在套架上，之后以另一颗钻石沿宰割线削一个凹痕，再把方边刀放在凹痕上，以手捶在劈刀上以适宜的力敲击，钻石会沿纹理方位被劈成两半或多块。

成型：锯开或劈开的钻石再送到打圆部门去打圆、成型，即依照策划要求将钻石做成圆形、心形、椭圆形、揽尖形、祖母绿形等常见的切割花形，或其它特其它形态。因为钻石是现在为止人类所认识到的最硬的自然物质，以是惟独钻石才能打磨钻石，并且因钻石各个方位的硬度略有不同。以是研磨时要凭仗经验，掌握住钻石的基本形态：三方体、八面体、十二面体及晶体特征。通常技巧是将钻坯高速转动的车床上，之后用另一臂杆上的钻石把滚动中的钻坯打圆。

标识(划线)

这是钻石切割的第一步，先查验钻坯、并在钻石外表做标识，做这项工作的人有着丰富的经验并精晓加工技术。终究目标是制做出最大、最洁净、最圆满的钻石，以尽量高地表现钻石的价值。划线员必需留心两点：即既要尽可能维持最大的分量，又要尽可能削减内含物。划线员利用放大镜研究钻坯的布局，假如是大颗粒 钻石，这项工作可能要用时数月，对一般钻坯则须要几分钟。不过，不管钻坯怎样微小，每颗钻石都要经由详尽的检察以做出准确的推断。

划线员用印第安墨水在钻坯上划下标识，显现该钻坯要沿此线宰割。一般尽量沿钻石的自然纹理方位划线

在早前，世界上最大的钻石供应商，戴比尔斯宣布涉足合成钻石领域，子公司将会售卖1克拉大小的合成圆钻，每个钻石会带标记来区分。

天然钻石其实并不少见，珠宝级的钻石少见一些，但是今天的钻石地位得益于“钻石恒久远，一颗永流传”的营销奇迹和整个钻石行业的垄断销售模式。随着戴比尔斯对钻石业的控制力下滑，实验室合成技术的成熟，钻石行业受到冲击是迟早的事，这时候主动进入合成钻石领域，戴比尔斯还是很聪明的。

回到问题上来说，基本上，人造钻石和天然钻石没有区别，只有仪器上才能看出区别。

如果是合成立方氧化锆或者莫桑石，那化学成分和钻石都不一样，更本不是一个东西。火彩，密度，硬度都不一样，戴手上没有钻石光彩夺目的感觉。

如果是实验室合成钻石，CVD这一类的化，几乎看不出太大差异来，只能通过大型仪器检查，测红外光谱等等属性。

自然环境下，钻石生产过程中变数很多，全球的钻石中大约15%能达到宝石级的品相，剩下的都不够纯净，或者是多晶结构。所以天然钻石分为宝石级钻石和工业级钻石两种。工业级的钻石，人工合成技术已经很成熟了，在市场上有很好的销路。而且，工业使用，没有人关心是不是天然的。宝石级的合成钻石，技术还比较新，实验室下的合成方法很多，各有利弊。不过人工合成可以直接得到单晶，纯净度也不错。在肉眼下，在宝石级别，天然钻石和人工钻石是没有区别的。上仪器的话，光学特性有一定的区别。人工合成是IIa型钻石，这是鉴定的重要特征。

就像其他宝石一样，人工技术会越来越成熟，但是消费市场会分级，有钱人会继续买天然钻石的。

一、露天开采：一般情况下，钻石矿就是环绕着金伯利岩管开采的，管道中间是优质钻石最密集的地方，其特征通常是一个个巨大的洞坑。当金伯利岩石管道被发现时，采矿工人从地表面垂直向外挖掘。

二、地下开采：这种开采方式更安全也更有效益，特别是随着挖掘过程越来越深入，很难去判断是否要继续挖掘来扩大矿坑。 而地下开采只需要打通一条隧道进入地表下提取钻石即可，这样做更为合理，且危险性更低。有时还使用地下开采与露天采矿相结合的混合式开采，从矿坑中打一条隧道进入周围的岩石。

三、从矿场中提取金伯利岩：金伯利岩可被人工爆炸从地壳上松开，大量的岩石被爆炸炸毁，但不能在现场对其进行检测里面是包裹有钻石，必须用大型卡车和蒸汽铲将它们被转移到另一个地方进行处理和钻石提取，一般来说一个钻矿每吨岩泥中有05克拉的钻石。

四、冲击采矿：江河溪流会顺势把金伯利岩石带到河床、岸边，甚至海岸地带乘积下来，形成冲击砂矿床。冲击采矿又被称为人工采矿，因为采矿者要到冲击砂矿床去人工寻找钻石。与金伯利岩管道的距离越远的地方，钻石的产量就越低，钻石的分布密度也更稀疏，因此冲击采矿并不适用于工业钻石开采。

扩展资料

一、伯纳特兄弟于1870年发现了金伯利金刚石矿。正是这一发现，使人们知道了在哪种岩石中有可能含有金刚石。那是一种在远古时代的岩浆冷却以后所形成的火山岩。在那些出产石榴石和橄榄石的地点，找到金刚石矿的可能性就相对大。于是，石榴石和橄榄石就成为寻找金刚石的“指示矿物”。

二、金伯利钻石矿坑被认为是世界上最大的人力挖掘矿坑，从1866年至1914年，50000名矿工使用铁铲等工具进行挖掘，共挖掘出2722公斤钻石。南非政府正试图将金伯利矿坑申请为一处世界文化遗址。

三、露天开采是一个移走矿体上的覆盖物，得到所需矿物的过程，从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程。露天开采作业主要包括穿孔、爆破、采装、运输和排土等流程。露天与地下开采相比，优点是资源利用充分、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。

参考资料：

-金刚石

参考资料：

-南非金伯利钻石矿坑

参考资料：

-露天开采

钻石在切割成型前都是八面体、十二面体的毛坯状，通过精确计算、设计和完美切割的优良切工对钻石的毛坯重量损耗很大，有些加工厂商为了尽可能保留重量，就不按钻石标准切割，因此同样颜色、品质、重量的钻石，由于切工的不同，钻石价格可能相差40%左右。

当钻石都是标准的圆多面型切工时，钻石的台面大小会因为克拉重量的增加而增大，这就是我们平时看到的50分的钻石看起来比30分的钻石大很多的缘故。有关专家认为，高品质切工的钻石不仅璀璨夺目、光艳耀人，而且有巨大的保值和投资价值。

在GIA证书中，“Cut Grade”是标明切工等级的一项，也是“4C”标准中重要的一点。评价此项时需要综合考虑钻石的正面外观（包括明亮度、火彩和闪光）、设计（重量比和耐久性）以及切工技术（抛光和对称性）。

2

钻石切割等级

关于钻石的抛光和切面的对称等说明都清楚详细地列在了每份钻石分级报告里。对于钻石的切工，GIA等级分为EX（理想）、VG（非常好 ）、GD（好）、FR（一般）、P（差），中国国检分为：很好、好、一般、差。

EX（理想切工）: 最高等级的切工。这种切工钻石的比例可以使钻石拥有最美丽的光彩。

钻石的加工生产实践中，突显优质与实用的标准，就在于钻石的加工生产本身，需要有专业的设备与机器，必须要保证有工业化的基础，还要有严格的工艺标准。钻石加工基地的选择与加工的水平，对天然材料加工之后的价值有直接的影响，这就是在现实的钻石加工过程中，一定要注重的原则与判断分析的重点。来自于不同基地的成品，往往在价值上有明显的影响。而从消费者的角度，各品牌产品来自哪个基地，在鉴定证书上可以查看。

一颗看似不起眼的石材，经过人工切工打磨之后，成为价值极高的钻石，这就是天然切工保证实践质量的很好形式。钻石加工基地作为优先更有创新设计的加工成品的专业场所，在国际上有几家较大的加工厂，表现得都非常有优势。而从钻石产品的实际加工实力来看，要有品质保证的特点，要有机器专用设备配套的实力，要有更全面的加工生产的技术与一流的切工技师，更重要的就是成品品级定级中，切工操作者是准，品级如何都很明确。

来自于钻石加工基地的很多成品切工的技术性掌握，除了有专业的切工质量保证作为基础之外，更重要的就是通专业化的设计，先进的现代化的仪器，建立起更优质品牌开发新产品的体系，更多天然材料的开彩与加工形成了极具系统化的特点，也是对钻石产品的应用来说，非常重要的任务。特别是钻石切工要追求有更好的产品质量，要打造一流的钻石产品，必须要有切工保证作为基础，才能让它的作用可以发挥得更好。

在钻石的品级鉴定证书上，4c标准的品级评定是有明确标准的，而全面的判断分析品级的标准，就在于有重点的进行品级的分析，要充分考虑钻石加工基地的加工生产的实力，尤其是很多高端品牌是认自己的设计师与切割技师的，而真正的大师，在出成品与优品率上，是有保证的。切割机器与技术，技师水平与经验，都是切割技术的重点与关键。