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如何批量制造钻石?重要的是制造高温高压力

admin 人造钻石 2020年07月02日

  这里有两颗钻石,左边这颗是在地底经过上百万年才形成的天然钻石,而右边这颗是用机械设备只花了三四天合成的人造钻石。

  钻石,又叫金刚石,和铅笔芯的主要成分——石墨一样,都由碳原子组成。但结构的差异却让石墨在莫氏硬度等级中只排在最低的 1 级,钻石则位于最高的 10 级。

  从这张碳相图可以看出,在不同的压力和温度条件下,碳原子会变成石墨、钻石、液体等各种形态。

  其中 GPa 是压强单位,1GPa 相当于一只 10 吨的非洲象踩在你小脚趾上的力量。

  在地下 100~300km,约 4.5~6GPa 、1000~1500℃ 的环境下,碳元素经过两三百万年的挤压汇聚才形成钻石,最后由火山活动带到地表。

  把含碳原子的 TNT 和轰爆压力非常高的 RDX 两种炸药混合,在钢制厚壁罐体中引爆,产生 1000℃ 以上的高温和 30GPa 的超高压,TNT 中的一部分碳原子就会聚合成 5~15nm 大小的钻石,称为金刚石粉。

  这是一台六面顶压机,由三轴互成 90° 的六个顶锤以及里面用于合成钻石的生长舱组成。

  里面主要分两层,上层是金刚石粉,下层是金属触媒,一般为镍铁,起催化作用,加快钻石合成速度,底部有一块不到 1mm 的天然或人造钻石作为晶种。

  启动时,顶锤向内挤压提供 5~6GPa 的高压,通过导电使碳加热棒升温,让生长舱的温度达到到 1200℃ 以上,并在上下营造一个 20~50℃ 的温度差。

  此时,金属触媒将熔融,金刚石粉则会溶解到金属触媒中变成游离的碳原子,且高温区的碳原子浓度会比低温区高。

  传统高压高温法合成的钻石克拉数较小,而且金属触媒会在钻石内留有残渣,机器内极少量的氮元素还会混入钻石中,让钻石呈现黄色。

  根据钻石的 4C 标准,这种钻石通常处于中低端,甚至只能作为工业用途,拿来制造钻头、刀具、磨盘等。

  放在只有十分之一大气压的真空室中,注入甲烷气体和氢气,通过微波等方式加热到 800~1000℃。

  此时,甲烷会分解出碳原子,形成等离子体,降落在底部的晶种上,沉淀结晶,能以每小时0.006mm 的速度生长,不出两天,就会获得一颗周围包裹着石墨的钻石。

  2017年,德国奥格斯堡大学合成出了一块直径 92mm、155 克拉的钻石。

  两者只能通过非常特殊的方式区分,比如在阴极发光仪下,前者的生长纹理呈几何状,而后者呈环带状。

  从 2006 年开始,GIA 等珠宝机构开始提供鉴定服务并发放证书,主要为了防止商家用价格较低的合成钻石冒充天然钻石销售。

  2017 年,合成钻石的平均售价只比天然钻石便宜 10~20%,一年之后,这个差距已经拉开到 30~40% 。

  中国的工业级合成钻石年产量占世界份额 90% 以上,而且集中于河南省的三家公司。

  但以豫金刚石为例,除了传统的工业级金刚石,每年制造的无色宝石级钻石也可达 200~300 万克拉。

  论技术实力,中国每年一千万克拉的宝石级钻石进口量很快就可以由河南一省来生产,不过,就看你愿不愿意买了。


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