人造“大克拉”来了,钻石还能恒久远吗?

黑色新闻 | 2019-05-26 20:01:13
星辰在线 | 编辑:陈贝贝


  

  还记得那句著名的广告词吗?“钻石恒久远”,天然钻石以其漫长的形成过程和相对稀缺性,成为婚嫁饰品的首选。不过,近年来,人工合成方法越来越成熟,人造钻石个头越来越大,纯净度越来越高,最近中国兵器工业集团豫西集团中南钻石公司推出大颗粒“首饰用钻石”,表明该产品在生产上获得重大技术突破。钻石的天然与否今后可能会被人们忽略,“恒久远”的故事也很难再讲下去了。

  制造高温高压环境

  就能人工合成钻石

  钻石,又叫金刚石,和铅笔芯的主要成分——石墨一样,都由碳原子组成。但结构的差异却让石墨在莫氏硬度等级中只排在最低的1级,钻石则位于最高的10级。碳原子之间之所以会形成不同的结构,关键在于压力和温度。在不同的压力和温度条件下,碳原子会变成石墨、钻石、液体等各种形态。

  天然钻石大多数是在地球内部的高温高压下形成的,地球诞生后不久便开始在内部结晶。那里的压力在4.5Gpa到6Gpa。大致换算下来相当于地下150公里到200公里的深度。从目前开采的钻石矿中发现,绝大多数的钻石形成年代都在20亿至30亿年前,在南非地区发现的一些钻石的年龄甚至达到了45亿年左右。

  了解了钻石形成的过程,就可以根据“碳相图”人为地创造相应的压力和温度条件,合成出钻石。

  人造钻石的主要合成方法有两种:高温高压合成法和化学气相沉积法。

  最初的合成方法,也是目前普遍使用的方法,是高温高压合成法。一般情况下压力高达5GPa-6GPa,相当于用一根手指顶起一架商用喷气式飞机所承受的压力;温度则达到1300℃-1600℃。其大致原理是:高温高压下,石墨粉融于金属熔剂中,碳原子向高压舱较冷的一端扩散,最终在籽晶上结晶生长。

  制造高温高压,最简单粗暴的是爆炸法。把含碳原子的TNT和轰爆压力非常高的RDX两种炸药混合,在钢制厚壁罐体中引爆,产生1000℃以上的高温和30GPa的超高压,TNT中的一部分碳原子就会聚合成5-15纳米大小的钻石,称为金刚石粉。

  自20世纪50年代起,人们就开始生产人造钻石用于工业用途,其在电信、激光光学、医疗保健等领域中得以广泛应用。1970年,通用电气的研究员制成了第一颗非常小的宝石级合成钻石,可以像宝石一样进行刻面处理。到20世纪80年代中期,其他制造商已能够生产合成钻石。不过,传统高压高温法合成的钻石克拉数较小,而且金属触媒会在钻石内留有残渣,机器内极少量的氮元素还会混入钻石中,让钻石呈现黄色,因此无法作为首饰级钻石。

  但随着合成技术的不断改进,现在已经可以合成出30克拉以上的无色钻石。温度梯度、除氮和掺硼技术是合成无色钻石的三大核心技术。目前这种合成钻石的鉴定要点,主要是观察钻石内部的金属包体,以及高能光源激发下异常的结构色。

  骨灰中也有碳元素

  被人制成钻石饰品

  相比之下,化学气相沉淀法可以大幅改善高压高温法合成钻石带来的缺陷。这种方法同样需要晶种,经过机械抛光、酸处理等方式处理掉表面杂质后,放在只有十分之一大气压的真空室中,注入甲烷气体和氢气,通过微波等方式加热到800℃-1000℃。

  此时,甲烷会分解出碳原子,形成等离子体,降落在底部的晶种上,沉淀结晶,能以每小时0.006毫米的速度生长,不到两天,就会获得一颗周围包裹着石墨的钻石。这种方法合成的钻石能达到高级天然钻石的颜色和纯净度,克拉数也更高。2017年,德国奥格斯堡大学合成出了一块直径92厘米、155克拉的钻石。

  随着人工合成方法越来越成熟,人工钻石也被玩出了不少新花样。芝加哥曾有一家纪念品公司为了纪念逝者,把人类的骨灰变成了美丽的钻石。其原理是骨灰中含有碳元素。这种钻石的制造,首先要把骨灰放进5400℃高温的真空感应炉里提纯,将碳从骨灰中提取出来;然后再将其加热到3000℃变成石墨;最后,把这些石墨放入一个压力器中两个星期,就能在巨大的高温压力作用下变成一颗人造钻石了。整个过程大约需要16个星期。

  巴西的工程师还曾用甘蔗酒精作原料生产出了人造钻石。以甘蔗酒精作原料生产合成金刚石,是在一个特殊的反应设施里进行的,通过控制压力和温度,使乙醇和氢在反应设施里形成环流,在这个过程中加氟,乙醇被分裂成碳微粒,形成金刚石和石墨。氢和石墨发生化学反应,金刚石便附在硅片上。最后再用化学方法从硅片上取下金刚石。

  有望引发新一代

  半导体技术革命

  就像之前提到过的那样,人造钻石也是货真价实的钻石,成分、结构与天然钻石完全相同,两者只能通过非常特殊的方式区分。随着人造钻石合成方法的成熟,产量的提升,大量的人造钻石正从各国的实验室中生产出来。

  2017年,合成钻石的平均售价只比天然钻石便宜10%-20%,一年之后,这个差距已经拉开到30%-40%。据日经新闻2018年8月2日报道,随着技术的进步,实验室制造的钻石早已用于工业生产。中国的实验室不仅能够制造较小的、黄色的宝石,还可以制造较大的、无色的宝石,并拓宽了它们在珠宝行业的用途。中国的钻石实验室通常拥有数千台合成设备,每台设备一次可生产100颗宝石。

  最近,中国兵器工业集团豫西集团中南钻石公司推出大颗粒“首饰用钻石”,该公司通过自主研发,攻克了触媒配方及制备的技术壁垒,解决了国产六面顶压机不能满足长时间合成的行业难题,成功地实现了宝石级培育钻石的规模化生产,并掌握了20克拉以内大尺寸钻石合成技术。

  目前,豫西集团已掌握了20克拉以内大尺寸高温高压培育钻石单晶合成技术,掌握了黄钻、蓝钻、绿钻、紫-红钻等彩色钻石生产技术。实现了批量供应粒度最大、品级最优、色彩可控的克拉级培育钻石。

  除了作为饰品,钻石还是“工业牙齿”。以金刚石车刀为例,其刃口圆弧半径可以刃磨到连扫描电子显微镜也无法检测,利用它来切削加工,往往可以直接获得镜面。利用钻石超硬的力学性能,可加工世界上所有的已知材料。利用其无与伦比的热光声电性能,可用于航天员宇宙射线防护、尖端武器装备隐身防腐、提高导弹飞行速度与打击精度、大功率激光探测,可用作大规模集成电路及LED新光源热沉等尖端领域。而人造钻石技术的成熟,也有助于进一步降低制造业的成本。

  此外,金刚石电子器件相比其他半导体器件具有体积小、集成度高和无需制冷的优势。随着人工钻石制造技术的进步和成本的降低,有希望引发新一代半导体技术的革命。(记者任志方)

【来源:齐鲁晚报】

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