人工合成钻石只需两三天,你可能戴的是“假”钻石

中国是世界上最大的人造钻石生产国,如果把2016年钻石产量平均到当年结婚的每对新人的话,相当于人均1800克拉。不过,钻石合成产业很“脏”,会产生大量有害物质,废水处理是很大的技术挑战,而且人造钻石与天然钻石相比仍有诸如色泽等方面的区别。

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  出品| 网易新闻

  作者| 常松,清华大学材料加工工程系博士

  

  钻石恒久远,一颗永流传,钻石几乎已经成为了永恒爱情最适合的等价物。半个多世纪前,性感女神玛丽莲梦露也曾告诉我们,“钻石是女人最好的朋友”。对于女性来说,在爱情里,没有什么是一颗钻石解决不了的,如果有,请用两颗。

  今天我们就来聊聊钻石的话题。

  (一)钻石为什么看上去那么璀璨夺目?

  钻石的学名是金刚石,有天然开采和人工合成两大类。其英文名diamond,源于阿拉伯字“almas”(“最坚硬的”)或希腊字“Adamas”(“无敌的”),显然从人类认识金刚石开始,它就是无比坚硬的。

  但是,金刚石虽然是世界上最硬的天然物质,却并不代表它“无坚可摧”,相反,你拿一个锤子就能砸碎金刚石。不信的读者可以用老婆的钻戒试试。

  这是由于,金刚石的硬度指的是“材料局部抵抗硬物压入其表面的能力”,而金刚石硬度高,但韧性极差,抵御冲击载荷的能力极弱,说人话就是“脆”。

  

  金刚石硬而脆的特性是由其晶体结构决定的。金刚石虽然和石墨一样,都是单质碳,但是金刚石的原子采用sp3杂化,与3个相邻的碳原子以共价键结合成四面体结构,是典型的面心立方点阵结构。这种结构下,碳原子总是沿自由能低的晶面快速扩散堆集长大,使金刚石外形呈规则的多面体,而在特定角度的外加载荷下,金刚石晶体很容易断裂。这也是钻石切工的原理。

  

  而且,天然金刚石是掺杂程度极低的单晶体,也就是原子排布十分规律,这就使得光线在金刚石中折射,产生“色散现象”,呈现出璀璨的光芒,在珠宝鉴赏中称为“火彩”。金刚石每加工出一个面,反射与折射的效果就会增加,看起来就会更加璀璨。不过,金刚石也并非越多面越好,获得最理想的“火彩”,正是首饰钻石切工的价值所在。

  

  光线在钻石内的全反射临界角为24°26′,要消除钻石内漏光区域,必须通过对钻石亭部和冠部切割比例、角度和切割面数量、形状、大小完美测算,再通过最精湛的工艺才能将射入的光线实现全部反射,达到钻石火彩的最佳效果。

  (二)中国是世界上最大的人造钻石生产国

  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。”

  世界上最大的人工钻石制造国是哪里?相信你已经猜到了——中国。

  

  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。

  

  让我们来算这样一笔帐:2016年中国登记结婚的新人有1133万对,如果要将这一年人造金刚石产量平均到每对新人的话,约是1800克拉/人。这么一看,是不是每个新娘都能够带范爷那么大的钻戒了?显然不是。

  其实,每年全球天然和人造金刚石只有不到10%被用作了首饰,绝大部分都流向了工业界,发挥着这种纯碳晶体绝佳的材料性能。

  (三)除了用来欣赏,钻石绝大部分流向工业界

  金刚石这么好的光学性能仅仅是观赏看闪光就太可惜了。事实上,金刚石很大的一方面用途就是做光学器件。

  金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率,兼备高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数,是一种优异的光学材料。用天然金刚石制作的镜片具有极佳的性能,已应用于航天领域。单晶金刚石还能做成大功率激光器的窗口,激光透过率高,耐高温和耐热震,使得激光器的输出功率得到大幅度的提高。

  

  当然,金刚石作为硬质材料制成刀具也是常见的应用。

  同时,金刚石具有高热传导率、化学稳定性、低膨胀系数等性能,在一些特别的场合,具有独特的优势。比如,在加工原子核反应堆、精密光学仪器的的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺、加速器电子枪等。

  此外,相对于天然金刚石,人造金刚石可以人为控制合成过程,所以人造金刚石的成分和微观结构都可以进行改变。特别是金刚石有着宽的带隙宽度,载流子迁移率高,击穿电压高,热传导率高,是理想的半导体材料,若n型掺杂得以实现,那么金刚石半导体器件的产业化也将成为可能。

  (四)人造钻石何时能替代天然钻石?

  有新闻报道称,美国有公司利用人体中的碳为原料做成了骨灰钻石,这会是真的吗?

  这就要谈到人造金刚石的技术方法了。

  

  1、人造钻石是怎样合成的?

  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。

  

  对于压力机来说,最关键的零件就是组成合成腔的钉锤。顶锤要承受复杂苛刻的压缩、剪切、拉伸应力的作用,加上加热时瞬时锤面温度达500~600℃,要求近万次反复使用寿命,服役条件十分苛刻。目前,顶锤材料采用WC-Co合金。

  

  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。

  2、合成钻石产业有多“脏”?

  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。那么,为什么我们最终看到的钻石是晶莹璀璨的呢?

  

  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。

  

  为了能够制造出更加纯净的金刚石,化学气相沉积法(CVD)提供了另一种技术途径。它主要利用的是在高温空间(也包括在基板)以及活性化空间中发生的化学反应,制备金刚石所用到的气体原料一般为甲烷和氢气,通过在高温条件下激发使气体发生分解,生成含碳基团的活性粒子,并最终在基片材料上沉积出金刚石膜。

  3、人造钻石与天然钻石仍有区别

  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。

  

  目前,国内外金刚石中杂质含量十分接近,反映在抗压破坏强度(CFS)和热冲击强度指数(TTI)上也非常接近,实测的平均值分别约42%、89%。这就是说,中国人造金刚石从晶形、强度、杂质含量等各方面评价,质量都已达到世界先进水平。

  结语

  中国合成金刚石的技术进步,使金刚石性价比大幅提高,成本不断下降,工业金刚石的应用会越来越广,未来,人们日常生活中将大量使用金刚石,钻石芯CPU、钻石芯手机、钻石芯银行卡或许不再遥远。

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  编辑| 史文慧

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