高溫高壓種晶觸媒法合成鉆石

一、鉆石合成方法的進(jìn)展歷史早在1820術(shù)的進(jìn)展，才使鉆石的合成得以實(shí)現(xiàn)。1953年瑞士工程公司〔ASEA〕使用壓力球裝置首次成功地合成出了40粒小顆的鉆石，美國(guó)通用電氣公司〔GE〕也于1955年承受壓帶裝置合成出了小顆粒工業(yè)級(jí)鉆石的合成技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，目前幾乎三分之二的工業(yè)用鉆已由合成鉆石替代了。但直到1970年寶石級(jí)大顆粒的鉆石才由美國(guó)通用電氣公司合成成功。經(jīng)過(guò)近三十年的努力，目前已能獲得十幾克拉大的晶體，但寶石級(jí)鉆石合成的本錢仍舊很高，雖有初步的商業(yè)化，仍不能進(jìn)展大批量的生產(chǎn)。2023年合成的可切磨的鉆石只有3500ct，僅占當(dāng)年自然寶石0.01%。的方法。這種方法是在鉆石的亞穩(wěn)定區(qū)，用加熱、放電等方法激活碳基氣體〔如甲烷〕，使之離解出碳原子和氫原子〔或甲基CH3

和氫原子〕，碳原子在甲基和氫原子的作用下在固相基片如籽晶上沉積形成金剛石單晶薄膜或多晶質(zhì)薄膜。目前生長(zhǎng)速度只能到達(dá)每周0.02mm，可獲得的金剛石薄膜厚度太小〔幾十至幾百微米〕，還遠(yuǎn)不能用來(lái)合成寶石級(jí)鉆石，這種技術(shù)有時(shí)被用于鉆石及其它材料的外表鍍層，在珠寶首飾業(yè)應(yīng)用還格外有限。二、合成鉆石的原理與合成方法1．合成鉆石的原理8-1鉆石-石墨相圖鉆石和石墨是碳的兩種同質(zhì)多像的變體。依據(jù)鉆石-石墨的相平衡圖可知，在常溫常壓下石墨是碳的穩(wěn)定結(jié)晶形式，而鉆石是一種亞穩(wěn)定狀態(tài)。鉆石只有在高溫高壓下才是最穩(wěn)定的，中的C-C〔相圖中鉆石穩(wěn)定區(qū)的條件〕下，石墨的中的碳原子會(huì)重按鉆石的構(gòu)造排列，而形成鉆石。2．合成方法〔即在亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)鉆石的方法。合成工業(yè)用鉆石主要承受靜壓法中的靜壓觸媒法，通過(guò)液壓機(jī)產(chǎn)生〔4500-9000〕X109Pa的壓力，以電流加熱到1000-20230C的高溫，利用金屬觸媒實(shí)現(xiàn)石墨向鉆石的轉(zhuǎn)化。條件，提高轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，金屬觸媒可以作為碳的溶劑。在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫l件下，石墨和鉆石都可以溶于觸媒中，并且，石墨的溶解度大于鉆石，當(dāng)壓力上升時(shí)，二者的差異也增大。因此，工業(yè)鉆砂高得多。下面介紹寶石級(jí)鉆石的合成方法原料：通常選用自然或合成的鉆石粉，石墨及石墨與鉆石的混合物作為碳源。金屬觸媒：一般用的是鐵鎳合金。目前，合成寶石級(jí)鉆石主要承受壓帶裝置和分裂球裝置。圖8-2 壓帶裝置壓帶〔Belt〕裝置：這種裝置是美國(guó)通用電氣公司制造的。通常承受兩面頂壓機(jī)加壓，2個(gè)鉆石籽晶分別放在25.5X109—6X109Pa,溫度為16500C。圓筒中間溫度較高〔16500C〕，兩端較低〔15500C〕。碳在中間溶解于金屬觸媒中，160分裂球〔BARS〕裝置：1990年由俄羅斯人制造的，由于獨(dú)聯(lián)體的解體，很多技術(shù)員把這項(xiàng)技術(shù)帶到世界各地。目前市場(chǎng)上的寶石級(jí)合成鉆石根本都是這種方法合成的。圖8-3 分裂球裝置圖8-4 反響艙內(nèi)部構(gòu)造〔壓帶裝置和分裂球裝置中的反響艙一樣〕該裝置由288個(gè)球截體合攏，從而對(duì)構(gòu)成八面體外形的6個(gè)活塞產(chǎn)生壓力。中間是一個(gè)小的生長(zhǎng)倉(cāng)，一次只能長(zhǎng)1個(gè)晶體。生長(zhǎng)艙內(nèi)構(gòu)造如下圖。合成溫度和壓力條件根本同壓帶裝置的條件。1克拉的晶體需要長(zhǎng)3天。合成鉆石大局部為黃-褐色，白色的很少。3．合成鉆石的晶形、顏色及類型的掌握合成鉆石晶體形態(tài)主要為立方體與八面體的聚形。合成時(shí)的溫度對(duì)形態(tài)有肯定的影響。溫度較低〔13000C〕時(shí)，以立方體為主，溫度較高〔16000C〕時(shí)以八面體為主〔圖8-5〕。合成鉆石的顏色和類型也可以掌握。由于生長(zhǎng)艙內(nèi)布滿了空氣，空氣中含有氮，所以大多數(shù)合成鉆石都是含孤氮的Ib型鉆石。這種鉆石多為黃到褐色。假設(shè)在反響艙內(nèi)放一些氮的吸取劑，如鋯或鋁，則可以獲得無(wú)色的不含氮的Ⅱa型鉆石。假設(shè)同時(shí)再參加一些硼，則可合成出含硼的藍(lán)色Ⅱb合成的鉆石還可以通過(guò)輻照處理把它們變成彩色鉆石。圖8-5 合成鉆石晶形與生長(zhǎng)溫度的關(guān)系三、寶石級(jí)合成鉆石的鑒定結(jié)晶習(xí)性：合成鉆石常常為立方體、八面體，及二者的聚形，而自然鉆石最常見(jiàn)的形態(tài)是八面體、菱形十二面體或二者的聚形或三角薄片雙晶。圖8-6 立方體與八面體的聚形的合成鉆石晶體圖8-7 合成鉆石可顯示漏砂狀、交切狀紋理顏色：大多顏色為黃褐色，并常常經(jīng)輻照改色成藍(lán)、橙色、粉色、褐色、金黃色。8-8自然鉆石外表有時(shí)可見(jiàn)三角凹痕晶體外表及內(nèi)部紋理：合成鉆石可顯示樹(shù)枝狀、漏砂狀或交切狀紋理〔圖8-7〕，接種面上粗糙不平。自然鉆石外表有時(shí)可見(jiàn)三角凹痕，內(nèi)部可顯示與構(gòu)造有關(guān)的紋理。放大：籽晶、籽晶幻影區(qū)、各種形態(tài)的金屬包裹體〔針狀、片狀、針點(diǎn)狀等尤其圍繞種晶四周〕。金屬包體很難避開(kāi)。圖8-9 金屬熔劑剩余包裹體吸取光譜：合成鉆石無(wú)特征的415.5nm吸取線，在液氮低溫下還可測(cè)得658nm吸取峰，500nm以下全吸取。大多數(shù)自然鉆石顯示415.5nm的特征吸取線。鉆石貿(mào)易公司〔DTC〕推出的鉆石光譜鑒定〔DIAMONDSURE〕就是通過(guò)檢測(cè)415.5nm的特征吸取線是否存在來(lái)幫助區(qū)分自然與合成鉆石。圖8-10 鉆石光譜鑒定儀〔DIAMONDSURE〕紫外熒光：圖8-11 鉆石構(gòu)造熒光鑒定儀〔DIAMONDVIEW〕分帶”現(xiàn)象，如下圖。自然鉆石則顯示年輪狀熒光分布。鉆石構(gòu)造熒光鑒定儀〔DIAMONDVIEW〕就是有DTC下有明顯的磷光，自然鉆石無(wú)磷光。陰極發(fā)光：與紫外下熒光分帶特征相像，不同的生長(zhǎng)區(qū)顯示不同顏色的熒光分帶。紅外光譜：IB

型鉆