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“人造钻石”是钻石巨头们的灭顶之灾 中国制造

admin 人造钻石 2020年10月01日

  在当今的钻石首饰市场,虽然没有权威数据统计人造钻石所占比例,但是早在2014年,钻石行业就开始担忧人造钻石被用于天然钻石珠宝。因为人造钻石在实验室条件下合成的质量已经不逊于天然钻石,而且相比于天然钻石的稀缺和日益高昂的开采成本,人造钻石只是天然钻石造价的一半。

  美国宝石学院首席实验室和研究官员TOM MOSES曾表示,“天然钻石和人造钻石在化学、物理和光学上的属性完全一样;唯一的不同是形成方式,天然钻石在地下经过几十亿年形成,而实验室生产人造钻石只需要两三天。”

  在人造金刚石生产领域,截至到2016年,中国已经连续14年稳居世界首位,中国人造金刚石产量占到全球人造单晶金刚石总产量的90%以上,光2016年的产量就逼近200亿克拉。于是就有一个问题产生,如此多人造金刚石是否能替代天然钻石市场呢?

  如今,合成人造金刚石的方法有很多,能够产业化的技术主要有高温高压法(简称HTHP)和化学气相沉积法(简称CVD)。工业合成金刚石,国内外基本上都采用HTHP。

  中国合成金刚石在全世界占据绝对优势与自主研发的大型化合成压机、优质硬质合金顶锤、粉末触媒和间接加热工艺(合称粉状工艺)的工业化密不可分。

  大型化合成压机是合成金刚石的核心设备,它要创造一个高温(1400℃)、高压(5GPA)的合成腔体,依碳元素平衡相图,在这个腔体内,使碳原子形成稳定的金刚石晶体。国外常用的是单轴向压力机,通称两面顶压机,而中国则用互成90°的三轴向压力机,这种六面顶压机,靠铰链式结构承载三轴向压力。

  铰链式六面顶压机有两个优点:第一个是铰链梁中心部位设计安装高压油缸,油缸内置活塞,高压油压压力从三个轴向推向合成腔体,三轴向压力比两面顶的单轴向压力更有利单晶金刚石生长。它的另一个特点,是只需要6个相同的合金顶锤,不需要两面顶压机的硬质合金压缸,而硬质合金压缸的制造难度很大,成本很高。

  中国从1965年设计制造这种六面顶压机,迄今整个行业几乎全采用六面顶压机,并且开始被国外厂商引进。

  有了合成的工具,接下来就是解决原料和工艺的问题了。合成金刚石需要的材料包括石墨和金属触媒,从2005年开始,整个合成金刚石行业都开始使用粉状工艺,这种工艺是将石墨粉和触媒粉的混合粉冷压成合成块,随后脱氧处理,处理后的合成块装入叶蜡石的合成腔体中,靠两端导电帽将大电流引入缠绕在合成块周围的碳质之类的薄件发热体上,在合成块周围形成1个加热炉。

  从这个技术层面上看,以人体作为碳源来合成金刚石是完全可行的,只不过,由骨灰制成的碳粉最终能够合成到钻石中的比例是很小的,大部分都将会和触媒混合后被后续酸洗作为污水处理掉。而成年人骨灰的碳含量并不算多,考虑到产率,最终得到的钻石也不会太大。

  之前谈到,金刚石是石墨在金属触媒的作用下在合成腔内成长出来的,当这一炉“爆米花”出来的时候,恐怕是一点也看不到“钻石”的璀璨,而是一个个黑疙瘩。这是因为,在人造钻石合成时,触媒粉与石墨粉会充分混合均匀,经过高温高压的合成过程,熔化后的触媒金属将金刚石和石墨熔融在一起,会形成一层金属触媒包衣。

  合成金刚石还有一个分离的步骤,也就是把金刚石从金属触媒包衣里“拿”出来的过程,很多的污染和危害也主要集中在这一步。

  在最终的分离金刚石的工艺中,会用到浓硫酸和浓硝酸来除石墨和触媒金属,浓硫酸的作用是除石墨,硝酸的作用是除触媒金属,同时也参与除石墨的反应。合成金刚石时用到的触媒金属一般为FE(铁)和NI(镍),所以,化学反应之后的物质就是离子态的重金属CO(钴,铁系元素之一)、NI以及会对引起人体呼吸道刺激症状的大量的氮氧化物气体和二氧化硫气体、致癌物质HNO2(亚硝酸)。

  这样含有大量废酸和重金属NI、CO的工业污水的处理对于人造金刚石行业来说是一个非常大的挑战。

  尽管人类已经掌握合成金刚石的方法,但是合成金刚石与天然金刚石仍旧有“天生”的区别。

  与天然金刚石不同,人造金刚石在单晶晶体内夹有包裹体、气泡,此外还会存在碳原子的替代、空位、位错等。包裹体是采用HTHP合成触媒与碳共熔体在晶体成长过程中夹持的残留物,就是金刚石晶体中杂质元素的集聚区。

  同时,由于氧氮等杂质的引入和触媒中的FE、NI等的影响,人造金刚石会比天然金刚石在色泽上更偏黄。

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