人造钻石

人造钻石(mitation diamond； rhinestone)，即相对天然钻石而言的人工培育钻石，是一种由直径10到30纳米的钻石结晶聚合而成的多结晶钻石物质，亦称“合成钻石”或“实验室钻石”。人造钻石的化学成分、硬度、相对密度与天然钻石一致；但由于生长的环境不同，人造钻石没有天然钻石所具有的矿物包裹体及生长纹、解理纹等内含物特征，人造钻石的内部可能会有未熔化的原料微粒或催化剂微粒等，这也是二者重要的鉴别之处。

人造钻石(mitation diamond； rhinestone)，是相对天然钻石而言的人工培育钻石，是一种由直径10到30纳米的钻石结晶聚合而成的多结晶钻石，亦称“合成钻石”或“实验室钻石”。人造钻石的化学成分与天然钻石完全均为碳元素，硬度均为10摩尔、相对密度均为3.52。

人造钻石与天然钻石的显著差异在于二者是否具备矿物包裹体及生长纹、解理纹等内含物特征，这是鉴定钻石的重要依据。通过显微镜可以观察到天然钻石中含有金刚石、铬透辉石、镁铝榴石、橄榄石、铬尖晶石、锆石、金红石、石墨、绿泥石、黑云母、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和硫化物等矿物包裹体，还可观察到天然钻石的生长纹、解理纹等。

除了钻石首饰以外 ， 钻石已成为钻石工业的重要组成部分。在钻探（从石油 、地壳深部钻探到在牙齿上凿洞）、 切 割（从切割大理石到切割宝石）、 航天（从机舱窗口到太空探测器）、 电子工业（从电子仪器到超级计算机芯片）、 热交换（从大型锅炉到厨房餐具）等众多领域获得了广泛的应用 、 或已显示出巨大的应用前景 。在1995年，人类从钻石矿里开采的钻石大约有1亿克拉 ， 而人工合成的工业用钻石已达4亿克拉 ，而且1亿克拉的天然钻石中有75% 是工业用钻石 。

人工合成钻石技术的发展进一步扩大了其在高科技领域的应用。一是制造出钻石环用于量子信息处理。2008年3月，澳大利亚科研人员宣布，已经成功研制出世界上最小的钻石环，将用于开发量子信息处理。二是研制出电子产品快速散热的钻石粉末。2009年4月，柏林媒体报道，德国已经研发出一种钻石粉末新材料，其导热能力提高1.5倍，它能满足小型多功能电子产品快速散热的需要。三是开发出导电耐高温的改良钻石。2009年4月，法国科研人员开发出一种改良钻石，这种新材料可被用于工业切割或是高温作业的微电子制造领域。四是制造出单晶体人造钻石，创下量子比特存储时间的新记录。2012年6月美国六元素公司宣称，这项新成果在近期有助于研发新的量子传感器，未来有望帮助人们开发新的量子通信和技术。五是造出钻石纳米线。2014年9月，美国宣称研制出钻石纳米线，它可以使许多行业获得巨大改进，比如超强轻质线缆，使建造“太空天梯”成为可能。六是利用激光让纳米钻石悬浮上半空。2013年英国物理学家的这个科学实验能更好地理解晶体的物理特性。

1772年 ，现代化学的奠基人 、法国化学家安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）曾将一颗天然钻石置放于充满氧气的玻璃器皿内，再用一枚棱镜将太阳光聚焦于钻石 ，钻石最后充分燃烧 ，变成CO₂气体 。1779年 ，史密森·台耐特 (Smithson Tennant )在做了更深入的燃烧试验后发现 ，相同重量的钻石和焦炭燃烧后将产生相同体积的CO₂气体 。上述科学实验表明 ：钻石完全由碳组成 ，与焦炭不同之处在于其结晶形态 。

从此科学家开始了在实验室合成钻石的科学探索 。1871年人类首次发现南非金伯利岩的钻石 ， 科学家们开始意识到天然钻石是形成于高温 、高压的地球深部 ， 然后通过火山喷发而带至地表的 。因此要合成钻石 ，必须在实验室获得极高的温度和压力条件 。直到1953年，瑞典最大的电气公司通用电机公司ASEA实验室方成功合成钻石。美国的通用电气公司（GE）1954年实验室合成钻石，并首次将此消息公之于众。瑞典的ASEA 实验室和美国通用电器公司两者采用的合成方法是类似的 ：将石墨放入熔融的金属中熔化 ，随着熔化的碳的增加 ，当金属成份饱和时，碳也就开始形成钻石 。由于实验过程中 ，温度和压力均保持在钻石的稳定区域 ，因此最后结晶形成的晶体就是钻石。

在运用高温高压（HPHT）合成钻石的同时，化学气相沉积法（CVD）合成钻石也在同步进行。早在通用电器公司生产出首批合成钻石之前 ， 美国联邦碳化硅公司（William Eversole）于1952年冬天成功地从处于亚稳定状态的气体中合成出钻石 。这一方法被冷落了20多年，1974年 ，日本的筑波无机材料研究所用这一方法合成钻石 ，并取得重大突破 。1981年，日本学者正式向世人公布，各国研究人员才开始将合成钻石的研究及开发的重点放在这一方法上 。

20世纪80年代 ，日本住友公司合成了黄色宝石级钻石 。 迄今最大的合成钻石是戴比尔斯公司（DeBeers）于1987年合成，重达14.2克拉 。

人造钻石的合成有高温高压（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法：

因钻石和石墨中的碳原子均是通过共价键紧密结合在一起 ，只有在高温条件下提供的热能才能打破碳原子的结合 ，而使钻石与石墨之间发生转变 。高温高压合成单晶体钻石是仿照天然钻石在地下约200公里深处的温度和压力，将石墨在铁族金属触煤的作用下转化成钻石。它使用的温度约为1300℃~1500℃，压力约为4万~6万个大气压力。其晶体形与天然钻石极为类似，主要有六面体、八面体、六八面体聚形，另在低压下，可生成菱形十二面体。

市场上的钻石分类

碳氢化合物如甲烷在气态条件下和同时存在的氢气受等离子体的高能解离，生成碳原子层级的离子沉积在加热的固态基体表面，进而制得多晶或单晶钻石的工艺技术，称为化学气相沉积法合成钻石。

等离子体来源有微波、直流电弧喷射、热丝、射频。晶种基板分两类，多晶钻石可在硅、钼或钨板上生长；单晶体钻石可在天然、HPHT或CVD合成金刚石切成平行于100晶面的薄片上生长。碳氢化合物气体有H₂、CH₄、O₂、N2，温度条件700℃~1000℃，真空度为1/10大气压力，生长效率为1~50微米/小时。

高温高压HPHT技术分为欧美压带法、俄罗斯分裂球法、中国六面顶法三种 。化学气相沉积CVD 技术与之相比较，具有以下明显优势：

一是，CVD 合成钻石不必在钻石籽晶上生长，它可以在各种材料的基座上沉淀下来。二是，CVD 是一种低温 、低压合成技术，因而更为经济。三是，CVD合成的是一种多品质钻石 ，钻石晶体随机排列 ，这使得它具有天然钻石的硬度以外 ，还比天然钻石及高温高压合成钻石更具韧性 ， 而且更易合成大颗粒钻石。四是，CVD 方法可以直接在各种材料表面上涂上钻石膜 ， 而且理论上钻石膜的面积 、厚度 、形状等均不受限制，这使其在切割工具 、光学 、抗腐蚀 、散热 、半导体等领域具有独特的应用前景。五是，CVD方法更易控制合成钻石的净度 。

此外 ，与高温高压合成钻石主要由几家大公司垄断生产的情形不同 ，CVD 的研究和开发吸引了X 、 大学 、企业等众多部门的众多研究人员 ，是开放型的 。因此 ，目前CVD的合成工艺更为多样 ，介入的公司也要多得多 。1992年 ，全球CVD钻石的产值为1000多万美元， 1995年则为1.06 亿美元 ，2000年达11亿美元 ，而至20X则达158.75亿美元。

鉴别是天然钻石还是人造钻石，可用“三看鉴别法”。一是看包裹体。天然钻石内部会含有天然矿物的微粒；人造钻石的内部可能会有未熔化的原料微粒或催化剂微粒等。二是看色带。天然钻石的色带一般比较均匀、柔和；人造钻石一般不均匀，不自然。三是看生长纹。天然钻石的生长纹一般比较平直、弧度小；人造钻石的一般比较尖锐，弧度大。

天然钻石中含有矿物包裹体

鉴别是天然钻石还是人造钻石，也有三种办法。一是看发光性。用紫外线照射，天然钻石在长波紫外线下发蓝色荧光，短波紫外线下不发荧光，或发出微弱的蓝、黄色荧光；人造钻石在短波紫外线下发射较强的黄绿色荧光。二是看特征吸收光谱。天然钻石在415nm处有吸收线；人工合成品在此处没有吸收线。三是看磁性。天然钻石没有磁性，不会被磁铁吸引；人造钻石内部可能有金属微粒，从而具有磁性。

以上

中国人工合成钻石的研究始于20世纪60年代，1963年合成钻石投产。1977年上海硅酸盐研究所生长出了直径达4mm、重量为0.29ct的含硼半导体钻石大单晶。1985年，该所采用晶种法在中国首次获得了直径3.2mm、重量0.2ct的优质合成钻石大单晶。2006年，吉林大学超硬材料国家重点实验室合成出尺寸达7mm的Ⅰb型、4.3mm无色透明的优质Ⅱa型、4mm的蓝色Ⅱb型以及高氮绿色钻石大单晶。

中国现有高温高压合成钻石厂5000余家，其中生产单颗粒晶体工业级钻石厂家约450家，估计年生产能力可达15亿～20亿ct。目前年产量达2000万ct合成工业级钻石厂家有10家左右，最大的厂家可年产1亿～2亿ct。国内已有多家可以进行HPHT法合成钻石单晶的公司，如山东济南中乌新材料有限公司、河南黄河旋风公司、中南金刚石公司、郑州华晶公司等，其中山东济南中乌新材料有限公司生长出的黄色钻石单晶可以达到10ct，生长的蓝色和无色钻石分别达5ct，产业化生产，年产量8万ct。

当今世界合成钻石产量约15亿ct，中国产量在10亿ct以上，约占世界总产量的2/3，但国产钻石工业总产值只占世界总产值的1/3，利润不足总利润的1/5，原因是国产钻石质量较差，95%以上为中低档产品，在世界市场上竞争力不强。

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