天然钻石、合成钻石最全知识讲解，学起来

互推小编 2024-02-08

“天然钻石基本性质

钻石的矿物学名称为金刚石。一般来说，宝石级金刚石经加工成合种款式目日为钻有时也将宝石级木加工的金刚石称为钻石。它不仅硬度大，而且光泽强，加工后不易磨损，具有很强的色散和亮度，因而钻石艳丽夺目，光彩照人。为此，钻石有着“宝石之王”的誉称。围绕着钻石的阴谋、战争、冒险故事和传说，是其他任何宝石都不能比拟的。

据记载，印度最早发现钻石，18世纪以前印度是世界钻石的唯一产地。之后，在巴西、南非，现在在西伯利亚、澳大利亚和世界许多地区又找到了重要的钻石矿。目前，世界钻石的经销主要控制在戴比尔斯(De Beers)联合矿业公司的手中。该公司总部设在伦敦，通过国际钻石商贸中心(DTC)控制世界钻石生产的60%左右，并进行钻石的销售。在商业上，钻石是最重要的宝石品种，据估计，钻石约占全世界宝石销售额的90%。

一、钻石的基本性质

(1)化学成分:钻石主要由碳元素(C)组成。常含有0.05%~0.2%的杂质元素，其中最重要的杂质元素是氮(N)和硼(B),它们的存在关系到钻石的类型和性质。

(2)颜色:无色，通常略带深浅不同的黄色调,也有蓝、绿、红、紫、褐和黑色。

(3)结晶学特征: 等轴晶系。晶体多为八面体,次为菱形十二面体及各种聚形。晶面常具有晶体生长纹及三角形蚀象溶解形成小凹坑。

(4)摩氏硬度:10。晶体的不同方向及不同产地晶体的硬度稍有变化。

(5)相对密度:3.521(±0.01)。

(6)解理:具八面体中等解理，破损处常呈阶梯状。

(8)透明度:透明。

(9)折射率:2.417。各向同性。

(10)色散:0.044(高)，是天然无色宝石中具最大色散值的宝石。

(11)发光性:在紫外光下呈蓝白色、绿色、黄色和红色等。许多钻石还有磷光。日光曝晒后，夜间可发淡青蓝色磷光，故也有“夜明珠”

(12)吸收光谱:无色一黄褐色系列的

钻石在415.5nm处有吸收

(13)内含物:钻石晶体常含有其他矿物的小晶体，如浑圆状橄榄石、褐红色镁铝榴石、黑色石墨，以及铬透辉石、铬尖晶石等。

(14)化学性质:耐酸耐碱，化学性质稳定。熔点高，在纯氧中加热至1770 ℃时会分解，在真空中加热到1700℃会变成石墨。

钻石质量的好坏与本身的性质有关，也与加工质量有关。钻石的评定通常以4C为标美即钻石的颜色(Colour)、净度(Clarity)、切工(Cut)和克拉重量(Carat,称为“克拉重量”)。

不同国家和地区有着自己的分级系统，近年来美国珠宝学院(GIA)和国际珠宝彩(CIBJO)提出的分类系统得到了普遍承认。

“合成钻石历史与应用

早在18世纪后期，科学家就已经证实了钻石和石墨都是由碳组成的。1938年，FrederickRossini及其同事根据热力学定律提出了第一张有关碳的“相图”，表示了石墨和钻石能够稳定存在的温度和压力条件。到了20世纪40年代，科学家研究发现石墨加热到1800c 且受到压力达60kbar时才能转变为钻石。但一直到20世纪50年代在静态超高压、高温技术有所进展的基础上才成功合成出钻石。

1953年瑞士工程公司(ASEA)首次在结构复杂的高压球里合成出了钻石；1955年美国通用电气公司采用高温超高压技术合成出钻石，并申请了专利。他们采用的方法很相似:将石墨放入熔融的金属中熔化，随着熔化的碳的增加，当金属中碳成分饱和时，碳就开始结晶成钻石。随后De Beers公司、日本住友公司和苏联都成功地合成出宝石级金刚石。目前合成宝石级钻石的方法主要是静压法(属于高温高压法，又称为HTHP法，可分为压带法和BARS法)和化学气相沉积法(CVD法)。

一、高温高压法(HTHP法)

高温高压法又称种晶触媒法，是指以石墨为碳源，将其溶解于金属触媒中，在温度梯度的作用下，使溶解在触媒中的碳被输送到高压反应仓中温度较低的金刚石种晶上，以晶层的形式沉积于种晶上而结晶成金刚石的合成方法。

触媒一般采用铁镍合金，它既是一种碳的溶剂，又是一种催化剂。温度恒定时，通过分析石墨与钻石两种物质在熔融金属中的溶解度与压力的关系曲线得知，石墨的溶解度大于金刚石，二者溶解度的差随着压力的升高而增大。因此，当石墨在熔融金属中达到饱和时，对钻石而言已经过饱和，这便是金刚石在高压条件下得以从溶液中结晶出来的原因。当温度降低时，溶解在熔融金属中的石墨以金刚石的形式结晶出来，沉积于种晶上，从而形成钻石晶体。

在高温高压条件下，石墨向金刚石的转化过程可分为三个阶段:1熔融金属和石墨相互渗透、扩散和溶解，形成类似石墨结构的富碳扩散层；石墨逐渐向熔融金属内扩散，碳原子及其原子团状态改变，形成金刚石的结晶单元。当有种晶存在时，金属溶液把金刚石结晶单元输送至生长晶面附近；生长晶面附近的金刚石结晶单元在晶面上叠合，进入晶格位，使金刚石晶体不断长大。

(ー) 底带法 (The belt process)

压带装置是美国通用电气公司发明的。通常采用两面顶压机加压，电流通过叶蜡石炉内的碳管电阻加热。此装置分为上下两部分，作为碳源的石墨粉放在压腔中心区，两端放置种晶。这种合成方法是将石墨粉作为碳源放在生长舱内，生长舱外是冲垫和两个碳化钨(硬质合金)砧之间，使生长舱经受极高的温度和压力。在生长舱内底部温度比顶部温度稍低，这样顶部的石墨粉熔解并穿过周边的熔剂向生长舱底部运动，围绕在温度较低区域的钻石种晶(晶核)结晶

(ニ) BARS 法这种合成方法1990年首创于俄罗斯，BARS是倒文的英語精音 "Bespressovye Apparaty tipa Razreznaya Sfera"首字母的缩写，意思是分裂球无压装置。该装置中所需压力是通过将液体注入压力桶内得到，而不是靠巨大的水压机提供。高压使8个球截体合拢，从而对构成八面体形状的6个活塞产生压力。内部为反应舱，它含有加热装置，种晶，碳源和金属烙剂。

二、化学气相沉积法(CVD法)

这种技术起源于20世纪50年代，1952年美国联邦碳化硅公司在低压条件下用碳气体成功地生长出钻石，1956年苏联科学家通过研究显著提高CVD法合成钻石的速度。1974年位于日本筑波的日本无机材料研究所用这一方法来合成钻石取得了重大突破。20世纪90年代，CVD法合成单晶有了显著进展，荷兰、美国相继在较短的时间内合成出了较厚的单晶钻石。进入21世纪，首饰用CVD法合成钻石单晶有了突破性进展，美国的阿波罗公司可合成I a型褐色至无色钻石。2005 年美国卡内基实验室已能提高单晶的合成速度，达到100u m/h,生长出5~10克拉的单晶钻石。

CVD法合成钻石技术是将甲烷和氢气输入一石英管，石英管的压力保持在5%大气压，管的中央部分放置一非钻石材料制成的基座(通常用硅材料，合成钻石将在基座上沉淀下来)。由微波产生的等离子输入石英管后，将使管内温度加热至800℃左右，甲烷气体分解后的碳最后沉淀在基座上，形成合成钻石。