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( )。

高温高压合成法又称晶种催化剂法，石墨是低压稳定相，金刚石的矿物学名称，他是高压稳定相，而且如果我们从石墨直接转化为金刚石需要高压和高温条件，一般要求压力和温度在10GPa和300 ℃ 以上，如果涉及金属催化剂 ，如Fe，Ni，Mn，Co等及其合金，石墨成为金刚石所需的温度和压力条件将大大降低，因此，目前金属催化剂参与高温高压法合成金刚石。

作为溶剂的金属催化剂位于碳源，通常为石墨和金刚石晶种之间，碳源在高温端，晶种在低温端，由于碳源在高温端的溶解度大于在低温端的溶解度，由温差引起的溶解度差成为碳源从高温端向低温端扩散的驱动力，碳源在种子晶体逐渐沉淀，金刚石晶体逐渐长大，由于晶体生长的驱动力是由温差引起的。

这种方法其实也被称为温差法，化学气相沉积（CVD）通常在高温等离子体的作用下，使含碳气体解离，并将碳原子沉积到衬底上的金刚石膜中，衬底可以是非金刚石材料，但单晶金刚石通常是通过碳原子沉积在金刚石衬底上而形成的，含碳气体通常是指含有氮，甲烷和氢的混合气体，甲烷是合成金刚石碳原子的来源，氮可以增加生长速率，氢可以抑制石墨的形成。

通常化学气相沉积合成金刚石是在低压和高温条件下进行的，压力一般小于一大气压，温度大概约为1000度左右，人造金刚石以石墨和金属催化剂为主要原料，采用高温高压原理，通过原料和辅助材料的制备和组装，合成，提纯，切割和抛光，镶嵌，最终形成人造钻石饰品。 

关于高温高压就能人工造钻石吗这里面有什么原理的问题，今天就解释到这里。

人造钻石只有仿造钻石在自然界形成的环境，给碳加以极度的高温和高压从而做出人造革钻石。同样在上个世纪五十年代，另一种制造合成钻石的方法被研发成功，这种叫化学气相沉积(CVD)的方法，在很低压力和相对低的温度下，将碳从含碳的混合气体沉积成钻石基体。

希望解决了你的问题，望采纳。

钻石一般是通过火山爆发形成的，被岩浆带到地球的表面。

岩浆在上升过程中同时也会把一些相关的矿物掳获到地球表面。这些将是用来寻找钻石的的矿物，在同一土壤范围内，指示性矿物越多，找到钻石的机会就越大。

钻石形成于很久很久以前地层的深处，南非的一些钻石在地球诞生后不久便已开始在地球深部结晶，钻石是世界上最古老的宝石。钻石的形成需要一个漫长的历史过程，这从钻石主要出产于地球上古老的稳定大陆地区可以证实。另外，地外星体对地球的撞击，产生瞬间的高温、高压，也可形成钻石。

鉴别方法

钻石与相似宝石、合成钻石的区别。宝石市场上常见的代用品或赝品有无色宝石、无色尖晶石、立方氧化锆、钛酸锶、钇铝榴石、钇镓榴石、人造金红石。合成钻石于1955年首先由日本研制成功，但未批量生产。因为合成钻石要比天然钻石费用高，所以市场上合成钻石很少见。

钻石以其特有的硬度、密度、色散、折光率可以与其相似的宝石区别。如：仿钻立方氧化锆多无色，色散强（0060）、光泽强、密度大，为58克/立方厘米，手掂重感明显。钇铝榴石色散柔和，肉眼很难将它与钻石区别开。

未婚夫用合成钻石跟我求婚，我会答应，首先，合成钻石也是钻石，价格也不菲。其次，合成钻石和真正的钻石外观差别其实并不大，肉眼是无法区分的。另外，钻石是什么材质是次要的，最重要的是真心。成钻石就是人造钻石，就是人工模拟钻石在自然中形成的外部条件，然后把钻石合成出来。 

现在市面上有很多合成钻石，就是人工钻石，如果我的对象用人工钻石跟我求婚，我同样会同意。

首先，合成钻石也是钻石，价格也不菲。合成钻石的平均售价只比天然钻石便宜10%到20%左右，它并不像大家想象中的那么便宜，有的人觉得它只有几十块或者几百块。因此，合成钻石其实没有那么廉价，它的成本也是很高昂的。如果另一半用它来求婚的话，我是会答应的。

其次，合成钻石和真正的钻石外观差别其实并不大，肉眼是无法区分的。合成钻石是非常不错的天然钻石的替代品，肉眼基本上是无法辨别的，除非你有放大镜仔细观察，才能够看出一点区别。因此，合成钻石无论是从价格还是从外观上，都不输真正的钻石。

另外，钻石是什么材质是次要的，最重要的是真心。其实求婚最重要的是真心，并不是说这个钻石是真的还是假的，值多少钱是次要的。如果对方告诉你，这是合成钻石，他也没有欺骗你，这样的人也是值得嫁的。

合成钻石就是人造钻石，就是人工模拟钻石在自然中形成的外部条件，然后把钻石合成出来。简单来说，就是通过高温高压法和化学气相沉淀法来进行人造钻石的制造，人工营造出钻石的天然生长环境，这样就能够合成一个钻石。

以上就是关于合成钻石的一些介绍，以及我会答应的原因。

钻石，是经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体，由碳原子以四价键链接，为目前已知自然存在最硬物质。

化学性质

在金刚石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石硬度非常大，熔点在华氏6900度，金刚石在纯氧中燃点为720～800℃，在空气中为850～1000℃，在真空下2000～3000℃，而且不导电。在工业上，金刚石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造首饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

观赏用途

金刚石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉，称作钻石。巨型的美钻可以价值连城。而渗有深颜色的钻石的价钱更高。当钻石带有蓝、绿或粉红色属十分罕有，而颜色深而鲜艳则价钱很高；目前最昂贵的有色钻石，要数带有浓艳红色的钻石。

钻石分为一型和二型两种，这主要是根据它是否含有N元素：一型含；二型不含。而蓝色的钻石是二B型的，是半导体。

工业用途

由于金刚石的硬度极高，科学家会利用高温高压制成金刚石微粒，用于沙纸、钻探、研磨工具之上，可以用来切削和刻画其他物质。

厘定的标准

传统厘定钻石价值高低的标准是“4C”制度，即卡、色泽、净度、和切割。

卡

卡，或译克拉、克拉（Carat），是钻石的质量单位。一卡相等于200毫克，相传早期钻石商人称量钻石所用的砝码为稻子豆树(carob)果实，一粒这样的果实大约就重200毫克。因为钻石的密度基本上相同，因此越重的钻石体积越大。越大的钻石越稀有，每卡的价值亦越高。下表为2005年时的价格比较。

净度

净度（Clarity）以钻石内的瑕疵多少决定。瑕疵可能是天然的杂质或裂痕。瑕疵的数量、位置、大小等都会影响评级。钻石矿开采出来的金刚石中，只有20%可以成为宝石，其余的因为瑕疵较多通常只能作工业用途。而20%的宝石级钻石中，大部分都包含肉眼可见的瑕疵。在此级别以上的钻石较为大众喜爱。至于属完美级别的钻石更为罕有，被称为“博物馆级”钻石。通常使用10倍放大镜观察钻石内部及表面瑕疵的大小、数量、分布及对钻石光彩影响的程度，分出等级。一般通行的净度分级如下：

FL - “Flawless”，完美无瑕。在十倍放大镜下内外俱无瑕疵。

IF - “Internally flawless”，内部无瑕。在十倍放大镜下只有表面有轻微花痕。

VVS1, VVS2 - “Very Very Slight”，非常非常小。在十倍放大镜下只有很难看见的瑕疵。VVS1 净渡高于VVS2。

VS1 and VS2 - “Very Slight”，非常小。在十倍放大镜下可看见瑕疵，但肉眼难以辨认。VS1净渡高于VS2。

SI1 and SI2 - “Slight Inclusions”，小瑕疵，肉眼可能看见。

I1, I2 and I3 - “Imperfect”，有瑕疵，可以被肉眼看见。

现代科技之下，有些钻石的瑕疵是可以修补的。不过修补过的钻石的价值会稍低。

泽

钻石的色泽会因为化学上的杂质而有所偏差。完全纯正的钻石应该是透明无色的。钻石偏向不同的颜色会影响它的价值。绝大部分的钻石都是因为带有氮原子而偏黄。白钻越偏黄，价值便越低。但是偏粉红或蓝的钻石价格却较高。颜色强烈偏向粉红或蓝的钻石可能是价值连城。

一般的方法是把钻石按偏黄的程度分为不同的等级，把样品与已知色级的比色石对比确定，以D级最高，Z 最低。

无色: D, E, F

接近无色: G, H, I, J

微黄: K, L, M

轻浅黄: N, O, P, Q, R

浅黄: S, T, U, V, W, X, Y, Z

切割

切割指金刚石是如何从原先开采的石矿中切割成宝石。切割往往是最能影响钻石的品量及价值的一个指标，但是它却没有单一的分级方法。