合成碳硅石宝石

陈秀芳　徐现刚　田亮光　蒋民华

作者简介：陈秀芳，山东大学晶体材料研究所在读博士；徐现刚，山东大学晶体材料研究所教授、博士生导师，本文在“中国人工宝石发展论坛”上的报告者；田亮光，中宝协第三届人工宝石专业委员会委员，山东省质量技术监督局研究员。

一、引言

本文叙述了一种新的宝石材料，也是迄今为止最令人信服的钻石仿制品——合成碳硅石（SiC），如图1所示。一般钻石仿制品通常仅能模仿钻石的一两项技术指标，而合成碳硅石的光泽、亮度、火彩等都和钻石极为相似，尤其是合成碳硅石的热导性高，用常规的钻石热导仪难以与钻石区分，仿真性远超过以前的最佳钻石替代品——合成立方氧化锆（吴伟娟等，1999）。一般认为宝石的最重要的物理特性是硬度、折射率和颜色。合成碳硅石具有与钻石相同的光泽，仅次于钻石（摩氏硬度10）的高硬度（85～925），比钻石（折射率2417）略高的折射率（25～271），双折射率为0043，色散为0014，化学稳定性好，几乎不与其他物质反应，韧性好，热导率高，热稳定性好，在空气中加热到1400℃而不损坏，因此被称为最新一代钻石仿制品（Kurt,1999）。它是一种新的实验室合成宝石。

图1 合成碳硅石戒指

二、合成碳硅石的结构

SiC宝石是一种复杂的材料系统，它的奇特性质之一就是其结构的多型性（王世忠等，1999）。结构单元为SiC4或CSi4四面体结构，属于密堆积结构，由于单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型，目前已经发现的晶型有200余种，分为立方结构、六方结构和菱方结构等，每一种都可称为“SiC宝石”，较为常见的有3C、15R、6H、4H和2H，图2列出了几种SiC多型的堆垛结构（郝跃等，2000）。这里叙述的是合成的6H-SiC宝石，另一种能获得大直径单晶的多型为4H-SiC。

图2 几种SiC多型的堆垛结构

三、合成碳硅石单晶的生长

SiC单晶一般采用升华法生长，用该法可生长出大尺寸、高质量SiC单晶（徐现刚等，2003;Tairov et al,1978;LLiu et al,2002）。具体生长步骤如下：把籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉源料置于坩埚底部，生长室压力在50～120Mbar

1bar=100kPa。

，生长温度为2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC2和Si2C三种主要气相组分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。经过80～100h的生长，可获得厚度为15～25mm、直径为2英寸

1英寸＝254mm。

或3英寸的无色或彩色SiC单晶。图3是我们利用该法生长的2英寸和3英寸SiC单晶，其平均微管的密度小于100个/cm2。

图3 2英寸和3英寸SiC单晶

四、合成碳硅石的成形

SiC单晶生长过程中通过掺杂不同元素可获得不同颜色的晶体。因此 SiC是一种非常优异的彩色宝石材料。SiC的掺杂物有Nn（型）和Al、B、Be、Ga、（）、Sc（p型）等。未掺杂的6H-SiC和4 H-SiC显无色，在6 H-SiC中掺氮（n型）和铝（p型），分别得到了绿色和蓝色的6H-SiC单晶。在4H-SiC中掺入低浓度的氮可得到淡棕色的4H-SiC单晶。3C-SiC显**，而掺氮的3C-SiC显黄绿色。

图4 SiC宝石

生长出无色或彩色SiC单晶后，该晶体作为毛坯被切割成不同大小的粗人造宝石，然后经研磨和抛光制成无色或彩色合成碳硅石成品。合成碳硅石的硬度、韧性和各向异性使得能够以很尖锐的角度磨刻面，因此可获得很好的外形和光泽，从而能达到形美和质美的高度和谐统一。表1比较了钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性。

表1 钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性比较

五、结论

由于合成碳硅石优越的宝石学特性，与钻石相比，它具有高的色散、相似的亮度、较高的折射率和较低的相对密度；硬度最接近于钻石，并具有明显的双折射，迄今为止是最佳的钻石仿制品。由于堆积方式的不同，碳化硅具有多种不同晶型，分为立方结构、六方结构和菱方结构。通过升华法生长直径为2英寸或3英寸的无色或彩色SiC单晶，然后经过切割、研磨和抛光加工成合成碳硅石成品。

参考文献

郝跃，彭军，杨银堂2000碳化硅宽禁带半导体技术北京：科学出版社

吴伟娟，段体玉1999珠宝检测珠宝科技，2:41

王世忠，徐良瑛，束碧云，等1999SiC的性质、生长和应用无机材料学报，14（4）:527

徐现刚，胡小波，王继扬，等2003大直径6H-SiC单晶的生长人工晶体学报，32（5）

Kurt Nassau1999莫依桑石：一种新的合成宝石材料宝石和宝石学杂志，1（4）:47

L Liu,Edgar J H2002Substrates for Gallium Nitride Epi-taxyMaterials Scienceand Engineering R,37（3）:61

Tairov Y M,Tsvetkov V F1978Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystalsJournal ofCrystal Growth,43:209

钻石是非常珍贵的高档装饰用品，也是结婚时必备的首饰。然而钻石的不但价格昂贵还很稀少，因此市面上也出现了很多假的钻石。所以大家一定要知道怎么辨别钻戒的真假。

怎么辨别钻戒的真假：

1硬度测试

钻石戒指上的钻石是人类已知最坚硬的物质，没有什么东西能在钻石上划上痕迹，若能划上痕迹的则绝非钻石。

2亲油性测试

钻石有很强的亲油性，当我们用手触摸钻石表面时会感到黏黏的感觉，那就是真钻，因为人手会分泌薄薄油脂，抚摸钻石时就会吸附上去，让我们感觉到黏黏的。

 

3哈气测试

在钻石戒指上哈一口气，如果水汽立即消失的则为真钻，反之则为仿制品。

4透视测试

将钻石台面向下放在一张有线条的纸上，如果是真钻石则看不到纸上的线条，因为在一般情况下钻石刻面是不透光的，所以真的钻石是看不到纸上的线条的。

 

5净度测试

钻石是纯天然产物，在形成的过程中会有含有杂质，我们可以10倍的放大镜仔细观察钻石内部，如果是毫无瑕疵的，则多半可能是假钻石。

6观察反射光

用放大镜可观察到钻石的腰围处呈现一种很细的磨砂状并有亮晶晶的反射光。钻石的这种特征是独一无二的。

 

7导热性测试

将钻石放在手臂或脸上，若感觉它是温暖的，则为假钻石。因为真钻石是不传热的，所以无论怎么触摸它，都是凉凉的。

8证书验证

现在购买钻石戒指一般都会附带一份钻石证书，仔细查看对比，看看钻石证书上面记录钻石信息是否与戒指上的钻石相符，当然前提要保证钻石戒指的证书不会也是假冒的。

 

怎么辨别钻戒的真假——常见的假钻石材质

1 水晶和黄玉

这两种天然矿物的透明晶体，经琢磨后也有点像钻石，但都缺少闪烁的彩色光芒。且它们都是“非均质体”，而钻石是“均质体”，用偏光仪易于区分。

 

2 玻璃

用玻璃磨成的假钻石很容易区别，因为它的折光率低，没有真钻石那种闪烁的彩色光芒，稍有经验的人一看便知。另外，可用白瓷碗盛一碗清水，冒充钻石的无色玻璃制品漫入水中即看不清其轮廓，而真钻石暗黑的轮廓在水中显得十分清楚。

 

3 锆石

在人造立方氧化锆出现之前，锆石是最佳的钻石代用品。 锆石具有很强的双折射，即它有两个折光率，并且两个折光率之间的差别较大。由此而产生了一种很特殊的光学现象，当用放大镜观察琢磨好的锆石棱面宝石时，由其顶面可以看出底部的面和棱线有明显的双影。而钻石因为是“均质体”，绝无双影现象。

 

4 立方氧化锆 ( 即 “ 苏联钻 ”)

这是首先由原苏联推出的最理想的钻石代用品或冒充品，是人造化合物，无天然矿物。这是由于立方氧化锆在折光率、色散等方面与天然钻石很接近。但它的硬度较低(85)，比重为钻石的16—17倍，达56—6，且导热性远低于钻石，故仍可用仪器准确地将其与钻石区分开来。

 

5 人造尖晶石

它和钻石的区别是，缺少闪烁的彩色光芒，将它浸入二碘甲烷中，也会轮廓模糊，而真钻石的轮廓则十分清楚。

 

6 人造金红石

金红石是一种普通的天然矿物，它的成分是二氧化钛，由于它的折光率(261—290)比钻石(242)还要高，故琢磨宝石后能出现明亮耀眼的闪光，且能出现彩虹般的变化，显得非常美丽。但由于金红石有强烈的折光率，故与锆石一样，能用放大镜从顶面看到底部棱线的显著的双影，故易与钻石区别。

 

7 人造蓝宝石

无色透明的人造蓝宝石在琢磨后也可作为钻石的代用品。但它在“二碘甲烷”中几乎消失不见，而真钻石的边缘暗黑，非常清楚。

假钻石指的就是仿钻石，仿钻石的种类有很多种，常见就以下几种：

合成立方氧化锆，也习惯叫“锆石”，这是最早期的一种仿钻的，现在也一直有沿用，很便宜的一种材料，一克拉合成立方氧化锆估计就是几十块钱，比较多小商品饰品店就是用的这种仿钻石，广西梧州是产合成氧化锆一个重要的产地，很多都是出口非洲的，卖给非洲兄弟。

合成碳硅石，是一种现在比较火的仿钻石，习惯叫“莫桑钻”，抖音直播有很多人卖，也会一种比较便宜的材料，相对合成立方氧化锆贵一点，一克拉大概大几十到白来块钱，要看品质，偏白的略贵。

玻璃覆膜的仿钻石，这也是比较常见，特别是衣服上面的钻石样式的宝石，基本上都是用的是玻璃覆膜的产品，这种材料也是很便宜，比上面的两种材料更便宜。

以上的三种是最常见的仿钻石宝石，当然还有其他，其他不常见就不一一列举了，做出来的仿钻石效果都没有上面三种好，都是仿钻石的淘汰品。

仿制宝石的种类很多，除了一般宝石仿贵重宝石、人造宝石仿天然宝石外，主要的仿制品还是玻璃、塑料和拼合石等。

1玻璃

玻璃是最古老的仿制品之一。染色合适的玻璃可以模仿所有的透明和半透明，以及亚半透明的宝石。

玻璃是二氧化硅，它是由熔融物质冷却而成的非晶质体，其内部质点排列无序，没有一定的固化温度。

纯净的二氧化硅玻璃是一种高熔点玻璃，其熔点高达1700℃，相对密度为221，折射率为146。当加入一些碱金属氧化物，如钾、钠、钙或铅的氧化物时，其熔点降低，硬度也会下降，但折射率、相对密度和色散值都会增强。

玻璃的种类很多，常见的商业类型分为两大类：（1）冕牌玻璃，含有氧化硅、氧化钾、氧化钠及氧化钙。大多数廉价玻璃仿制品就属此类。（2）燧石玻璃，也称铅玻璃。用氧化铅取代冕牌玻璃的氧化钙。这类玻璃常作为光学玻璃及高色散、高折射率宝石重要仿制原料。为获得有色玻璃，可加入微量的着色元素的氧化物或化合物，如铜（蓝、红）、钴（蓝）、铁（绿、棕、红）、锰（紫、棕）、镉（黄）、硒（红）、钕（红）、碳（黄、棕）、硫（黄）等。

不同组分的玻璃，其物理特性也各不相同，用来仿制宝石的玻璃一般具下列特征：

（1）光性：均质体、各向同性。

（2）硬度：5～6，有时可更低。

（3）相对密度：20～42。

（4）折射率：通常144～170，最高者可达195，但大于170的玻璃较软，很少用于宝石。

（5）断口：贝壳状。

（6）色散：（无铅玻璃）0009～（铅玻璃）0098，仿钻0037。

（7）吸收光谱：钴玻璃在橙黄、黄及绿光区有三条明显的吸收带，稀土玻璃在黄绿区显示二组清晰的吸收细线。红色硒玻璃除红区外全吸收。

（8）发光性：各种荧光，大多在短波紫外光下荧光明显。

（9）内含物：高突起的各种圆形、椭圆形鱼雷状单个或小群体的气泡，不规则漩涡纹。

（10）其他：玻璃导热性低，初次触摸有温感。有时可见印模痕、收缩坑等。

上述特征可以确认出大多数玻璃仿制品，另外还有一些特殊品种：

砂金石是在玻璃中加入三角形或六边形的金属铜片，产生耀眼闪光的褐色砂金石，可用以模仿天然“日光石”，除褐色砂金石外还可见深蓝色砂金石。

玻璃猫眼是由定向排列的玻璃纤维制成的。市场上常可见到呈各种鲜艳颜色的玻璃猫眼。用10倍放大镜在弧形侧面可见到六边形蜂窝状结构。

一种脱玻化玻璃仿翡翟，称为“准玉”。常为绿色、半透明，具辐射状皱晶群，似蕨类植物叶片，而其相对密度和折射率都远远小于天然翡翠，显示玻璃的物理特性。

一种称作斯洛克姆宝石的玻璃仿贵蛋白石，内部可见各种多边形的色斑，像是一片片起皱的彩色金属箔。在这种仿制品中可见到气泡，以及折射率和相对密度均大于天然欧泊。

2塑料

塑料首饰是目前市场上常见的仿制品，由于塑料的物理特性与它们所模仿的宝石的物理性质明显不同，所以常常不令人信服。但它们可用来仿造各种有机宝石和欧泊，而且具有很大的迷惑性。

塑料是高分子化合物经聚合作用而形成的人造材料，它的种类很多，其成分和物理化学性质变化很大，塑料首饰的主要特征是：

（1）光性：各向同性。

（2）硬度：15～3。

（3）相对密度：纯塑料105～155。加入配料后密度会加大。

（4）折射率：155～166，有时显异常双折射。

（5）可切性：具不同程度的可切性。即用小刀可削下薄片。

（6）导热性：导热性差，故有明显的温热感。

（7）内含物：可见气泡、旋涡纹及弯曲的色带。

（8）其他：热针触之有异味，有印模痕，表面有凹坑，不平整，具蜡状，树脂光泽，有各种荧光。

塑料仿制品重量轻，颜色美，但硬度很低。塑料仿象牙制品和象牙相似，而象牙特有的纹路是它们的主要鉴别特征。塑料仿琥珀相对密度较大，燃烧时气味不同，而且琥珀不可切。塑料仿欧泊由聚苯乙烯球体制成，折射率（1485）高于天然品，相对密度（19）低于天然品，塑料还用来仿造月光石、星光、猫眼和珍珠等。

3拼合石

拼合石是由二个部分或更多部分组成的一个完整的宝石。常见的有由二部分组成的双叠宝石和由三部分组成的三叠宝石。构成部分可以是天然的、合成的或仿制的材料。多以天然宝石为顶部的拼合石，带有很大的欺骗性。

常见的拼合石有以下几种（图10-3-1）：

图10-3-1 拼合宝石

蛋白石双叠宝石是将蛋白石薄片粘至黑色缟玛瑙或玻璃、劣质欧泊及泥铁矿基质底座之上。欧泊三叠宝石是在双叠宝石之上加一无色水晶或玻璃质圆顶，起着保护欧泊薄片并放大变彩的作用。

石榴石为顶的拼合石是通过融合红色石榴子石和彩色玻璃刻面而成的。石榴子石为拼合石提供了强光泽和耐磨性以及天然的内含物，而玻璃为其提供颜色。如将宝石顶刻面朝下置于白纸之上，则可见到红色彩环。

焊接祖母绿通常由两层无色水晶或尖晶石用绿色粘胶在腰棱处拼合而成。通过折射率和相对密度的测定，即可容易的区分这种仿制品。

其他还有天然和合成红宝石双叠石、天然和合成蓝宝石双叠石、合成无色蓝宝石（或尖晶石）和钛酸锶拼合仿钻石、加绿色胶结物的翡翠拼合石、绿柱石拼合石等等。

未镶嵌的拼合宝石在弧面型宝石底部、刻面型宝石腰棱附近可见拼合接缝。已镶嵌的宝石可见两层宝石的光泽的不同差异、拼合层中的成层气泡、拼合层上下的内含物的差别、吸收光谱的差异和荧光的不同特点。折射率和相对密度也为拼合宝石鉴别提供了有用的证据。

钻石当然有假的。如果要了解宝石的鉴别知识，可以去中国彩色宝石网。

钻石是高贵豪华的装饰品，镶嵌天然钻石的首饰是首饰之冠。可是，钻石由于稀少而价格昂贵，尤其是稍大粒的钻石，一般人都不敢问津。于是，用廉价宝石、人造宝石甚至玻璃来代替或冒称钻石的活动就隐秘地或公开地愈演愈烈，假钻石的生意也日益隆起来了。据王曙先生的研究和统计，常见的形形色色的假钻石共有13种，现介绍7种如下：

（1）玻璃：用玻璃磨成的假钻石很容易区别，因为它的折光率低，没有真钻石那种闪烁的彩色光芒，稍有经验的人一看便知。另外，可用白瓷碗盛一碗清水，冒充钻石的无色玻璃制品漫入水中即看不清其轮廓，而真钻石暗黑的轮廓在水中显得十分清楚。

（2）人造尖晶石：它和钻石的区别是，缺少闪烁的彩色光芒，将它浸入二碘甲烷中，也会轮廓模糊，而真钻石的轮廓则十分清楚。

（3）水晶和黄玉：这两种天然矿物的透明晶体，经琢磨后也有点像钻石，但都缺少闪烁的彩色光芒。且它们都是“非均质体”，而钻石是“均质体”，用偏光仪易于区分。

（4）人造蓝宝石：无色透明的人造蓝宝石在琢磨后也可作为钻石的代用品。但它在“二碘甲烷”中几乎消失不见，而真钻石的边缘暗黑，非常清楚。

（5）锆石：在人造立方氧化锆出现之前，锆石是最佳的钻石代用品。

锆石具有很强的双折射，即它有两个折光率，并且两个折光率之间的差别较大。由此而产生了一种很特殊的光学现象，当用放大镜观察琢磨好的锆石棱面宝石时，由其顶面可以看出底部的面和棱线有明显的双影。而钻石因为是“均质体”，绝无双影现象。

（6）人造金红石：金红石是一种普通的天然矿物，它的成分是二氧化钛，由于它的折光率（2．61—2．90）比钻石（2．42）还要高，故琢磨宝石后能出现明亮耀眼的闪光，且能出现彩虹般的变化，显得非常美丽。可惜的是，天然金红石几乎全是不透明的，所以1947年才经美国铅业公司首先制出了人造金红石。其中无色透明者用作钻石代用品或假冒品，其五彩缤纷的闪光超过了真钻石，常被称为“五彩钻”或“五色钻”。但由于金红石有强烈的折光率，故与锆石一样，能用放大镜从顶面看到底部棱线的显著的双影，故易与钻石区别。

此外，“五彩钻”因闪光过分艳丽，并带有不清澈的乳白光，故有庸俗之感，远不如钻石闪光的高雅可爱。

（7）立方氧化锆：（即“苏联钻”）：这是首先由原苏联推出的最理想的钻石代用品或冒充品，是人造化合物，无天然矿物。自从立方氧化锆问世后，其他多种人造宝石原料，都只用作别的中低档宝石代用品，而不再来磨制假钻石了。这是由于立方氧化锆在折光率、色散等方面与天然钻石很接近。但它的硬度较低（8．5），比重为钻石的1．6—1．7倍，达5．6—6，且导热性远低于钻石，故仍可用仪器准确地将其与钻石区分开来。