什么是人造钻石hpht&cvd
一直以来,人类对钻石这个宝石都有一种憧憬。在过去,钻石曾被认为是宇宙间最硬的物质,当然后来我们知道钻石并不是最硬的物质。
钻石在所有的宝石里面,算是相对来讲比较稀有的一种,当然,我们讲它的稀有不是单纯说它的开挖量,库存量等等。而是基于天然钻石严苛的生长环境来给予定义。
理论上钻石是生长在地底下180km到200km这种深度的地方,伴随着超高的温度,超高的压力。然后跟随着岩浆运动来到地表,这样形成的岩脉就是一般我们的讲的金伯利岩。由于钻石生成的环境距离我们地表非常遥远,理论上要开采,要找到钻石是件非常不容易的事情,所以人类也一直希望用科学的方式能够克服这一点,能够做出跟天然钻石一模一样材质,物性的人工宝石。
科学家最早合成钻石的一个思维逻辑,就是想要模拟地壳底下的高温高压的环境。但一开始包括美国的GE等大企业,在用此逻辑合成钻石的路上都经历过一个问题:
——把碳物质,施以地壳下相同高温高压的环境后,理论上就应该开始生长钻石了,但无论如何它就是不长。
之后科学家意识到地球的内部,也就是钻石的生长环境中,还有很大量的铁钴镍这些金属物质存在,所以在后来的实验中,加入了铁钴镍这样的金属触媒进去。发现一个很有趣的现象,在高温高压下,碳的同素异形体石墨,会融到融化了的铁钴镍里面,然后形成人造钻石。也就是说,将石墨,铁钴镍施压到例如55000个大气压力,加热到1400℃到2500℃这个温度,所有的石墨都会溶解到熔融了的铁钴镍金属触媒中,转变成为人造的钻石,生长成跟天然钻石几乎一模一样成分,一模一样结构物性的人造的材质。现如今合成宝石级HPHT钻石所使用的碳源为钻石粉(金刚石粉)并非石墨。这就是我们讲的HPHT法(高温高压法)合成的人造钻石。
图上所示,就是高温高压HPHT法合成钻石所使用的最常见的设备之一,它有一个专业学名,叫做“六面顶压机”。简单讲,它有上下,左右,前后,六个不同的面,三个方向,互相向放置了碳源以及金属触媒的生长仓加压并使用碳加热棒向加温,形成一个55000-60000个大气压力,温度1400℃以上的环境。这个设备就可以培育出跟天然钻石一模一样的人造钻石的结晶。
早期这种机器只是拿来合成工业用钻石,工业用钻石就是一堆小颗的钻石,不能作为宝石用。后来的研究发现,在生长之前,只要置入钻石晶种(稍大颗粒钻石),后面所长出来的钻石结晶都会附着在钻石晶种之上,从而形成大颗粒的人造钻石。除了六面顶压机,还有两面顶压机以及分球式顶压机可以合成HPHT钻石,基本原理相同。
然而采用高温高压法(HPHT)合成的钻石,存在一定的先天劣势,比方说它生成的小颗的钻石成本低,但是大颗粒的成本相对很高,所以之前一般市面上见到的HPHT法培养钻都是以小颗粒居多。并且早期的hpht法合成钻石,由于使用了铁钴镍金属触媒,会在合成钻石的内部留有金属残渣,机器内极少量的氮元素也会混入到合成钻石中,因而早期使用该法生成的钻石会呈现黄色。并且由于合成钻石内部掺杂了铁钴镍金属杂质,所以早期HPHT钻石能够被强力磁铁所吸附。1955年美国GE公司首次用高温高压的方法合成金刚石,到上世纪90年代才合成出尺寸和品质“双达标”的宝石级金刚石。不过近年来高温高压(HPHT)技术迅猛发展,合成无色,大颗粒钻石已不成问题。
图表显示,虽然总数量上黄-橙系列HPHT合成钻石占大头,但近年来无色和蓝色合成钻石的比例明显增加。
而与HPHT法相对应的CVD法培养钻石(化学气相沉积法),是在目前比较热门的一个东西。它的基本原理是在真空中,利用甲烷气体的高热分解,分解出碳原子的等离子体,从而沉积出钻石。CVD技术早期的研发是用来生成一种叫钻石薄膜的东西,后来的研究中发现,如果加入钻石晶种,一样可以长非常大颗粒的合成钻石。CVD技术目前是非常热门的技术,包括美国,中国,日本,韩国,等等非常多国家的公司在合成CVD钻石。
理论上钻石是需要在高压的环境下才能够生成,但有一种气体叫做甲烷,化学式为CH4,结构如上图所示,可以想象成一个碳原子有四条手臂,分别牵着四个氢原子。在高温以及真空状态的环境下,甲烷会分解,碳原子跟氢原子的链接会分开,碳原子跟碳原子联结沉积到晶种之上,从而形成钻石。CVD技术培育钻石能以每小时0.006mm的速度增长,两天时间就能获得一颗周围包裹着石墨的钻石。CVD技术运用了真空技术,低压技术,但是它也是需要在高温的环境下才能生成。
CVD技术合成的钻石能达到高级天然钻石的净度与颜色,并且还有一个优势就是相对HPHT更能培育出大颗粒的钻石。2017年,德国Ausgburg大学合成出一块直径92mm,155克拉的CVD钻石。
如上图所示,HPHT法与CVD法所培养出来的人工钻石,大致的区别。左侧是HPHT钻石,右侧是CVD钻石。理论上CVD法能培育出克拉数更大,品质更接近于天然高品质钻石的合成钻石,而由于近年来HPHT法技术的突飞猛进,HPHT法合成出来的钻石品质也已经没有问题,高品质的HPHT克拉钻也比比皆是。但是,如今CVD培养钻的市场价比HPHT培养钻的价格还是要略高的,当然相对的4C品质也会好一些。
简单讲述过CVD与HPHT培养钻石的形成之后,那这个与天然钻石成分几乎一模一样的人工培育宝石,究竟可怕不可怕?实话说如果没有专业的鉴定设备的话,十分可怕。早前有过合成钻石的团队做过一个测试,他们把很多的合成钻石拿到当铺珠宝店,几乎没有营业者能看出来,因为所有的合成钻石,都表现出和天然钻石几乎一模一样的外观性质。
如上表所示,根据红外线光谱仪检测分类,天然钻石最常见的都是Ia型,Ib,IIa,IIb型的天然钻石非常少见;HPHT法合成钻石大部分都是Ib型,其他如IIa,IIb比较少但是也有可能;CVD法合成的钻石基本都是IIb型。
虽然合成钻石和天然钻石几乎一模一样,但是在专业的机构仪器之下还是能被分辨出来,如阴极发光仪,拉曼光谱仪,红外光谱仪等。
目前一颗1ct/D色/VS2/3EX的HPHT合成克拉钻石,带IGI证书的价格仅在1.5w以下的价格,相比天然钻石的价格自然是低到发指,但是,就看你能不能接受了。