中國合成鑽石與天然的沒差別，如何區分「真假」?
出品| 網易新聞
作者| 常松，清華大學材料加工工程系博士
鑽石恆久遠，一顆永流傳，鑽石几乎已經成為了永恆愛情最適合的等價物。半個多世紀前，性感女神瑪麗蓮夢露也曾告訴我們，「鑽石是女人最好的朋友」。對於女性來說，在愛情里，沒有什麼是一顆鑽石解決不了的，如果有，請用兩顆。
今天我們就來聊聊鑽石的話題。
（一）鑽石為什麼看上去那麼璀璨奪目？
鑽石的學名是金剛石，有天然開採和人工合成兩大類。其英文名diamond，源於阿拉伯字「almas」(「最堅硬的」)或希臘字「Adamas」(「無敵的」)，顯然從人類認識金剛石開始，它就是無比堅硬的。
但是，金剛石雖然是世界上最硬的天然物質，卻並不代表它「無堅可摧」，相反，你拿一個鎚子就能砸碎金剛石。不信的讀者可以用老婆的鑽戒試試。
這是由於，金剛石的硬度指的是「材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力」，而金剛石硬度高，但韌性極差，抵禦衝擊載荷的能力極弱，說人話就是「脆」。
金剛石硬而脆的特性是由其晶體結構決定的。金剛石雖然和石墨一樣，都是單質碳，但是金剛石的原子採用sp3雜化，與3個相鄰的碳原子以共價鍵結合成四面體結構，是典型的面心立方點陣結構。這種結構下，碳原子總是沿自由能低的晶面快速擴散堆集長大，使金剛石外形呈規則的多面體，而在特定角度的外載入荷下，金剛石晶體很容易斷裂。這也是鑽石切工的原理。
而且，天然金剛石是摻雜程度極低的單晶體，也就是原子排布十分規律，這就使得光線在金剛石中折射，產生「色散現象」，呈現出璀璨的光芒，在珠寶鑒賞中稱為「火彩」。金剛石每加工出一個面，反射與折射的效果就會增加，看起來就會更加璀璨。不過，金剛石也並非越多面越好，獲得最理想的「火彩」，正是首飾鑽石切工的價值所在。
光線在鑽石內的全反射臨界角為24°26′，要消除鑽石內漏光區域，必須通過對鑽石亭部和冠部切割比例、角度和切割面數量、形狀、大小完美測算，再通過最精湛的工藝才能將射入的光線實現全部反射，達到鑽石火彩的最佳效果。
（二）中國是世界上最大的人造鑽石生產國
在當今的鑽石首飾市場，雖然沒有權威數據統計人造鑽石所佔比例，但是早在2014年，鑽石行業就開始擔憂人造鑽石被用於天然鑽石珠寶。因為人造鑽石在實驗室條件下合成的質量已經不遜於天然鑽石，而且相比於天然鑽石的稀缺和日益高昂的開採成本，人造鑽石只是天然鑽石造價的一半。
美國寶石學院首席實驗室和研究官員Tom Moses曾表示，「天然鑽石和人造鑽石在化學、物理和光學上的屬性完全一樣；唯一的不同是形成方式，天然鑽石在地下經過幾十億年形成，而實驗室生產人造鑽石只需要兩三天。」
世界上最大的人工鑽石製造國是哪裡？相信你已經猜到了——中國。
在人造金剛石生產領域，截至到2016年，中國已經連續14年穩居世界首位，中國人造金剛石產量佔到全球人造單晶金剛石總產量的90%以上，光2016年的產量就逼近200億克拉。
讓我們來算這樣一筆帳：2016年中國登記結婚的新人有1133萬對，如果要將這一年人造金剛石產量平均到每對新人的話，約是1800克拉/人。這麼一看，是不是每個新娘都能夠帶范爺那麼大的鑽戒了？顯然不是。
其實，每年全球天然和人造金剛石只有不到10%被用作了首飾，絕大部分都流向了工業界，發揮著這種純碳晶體絕佳的材料性能。
（三）除了用來欣賞，鑽石絕大部分流向工業界
金剛石這麼好的光學性能僅僅是觀賞看閃光就太可惜了。事實上，金剛石很大的一方面用途就是做光學器件。
金剛石具有從X射線到微波整個波段高的透過率，兼備高硬度、高熱導率、高化學穩定性和低膨脹係數，是一種優異的光學材料。用天然金剛石製作的鏡片具有極佳的性能，已應用於航天領域。單晶金剛石還能做成大功率激光器的窗口，激光透過率高，耐高溫和耐熱震，使得激光器的輸出功率得到大幅度的提高。
當然，金剛石作為硬質材料製成刀具也是常見的應用。
同時，金剛石具有高熱傳導率、化學穩定性、低膨脹係數等性能，在一些特別的場合，具有獨特的優勢。比如，在加工原子核反應堆、精密光學儀器的的反射鏡、計算機硬碟、導彈或太空飛行器的導航陀螺、加速器電子槍等。
此外，相對於天然金剛石，人造金剛石可以人為控制合成過程，所以人造金剛石的成分和微觀結構都可以進行改變。特別是金剛石有著寬的帶隙寬度，載流子遷移率高，擊穿電壓高，熱傳導率高，是理想的半導體材料，若n型摻雜得以實現，那麼金剛石半導體器件的產業化也將成為可能。
（四）人造鑽石何時能替代天然鑽石？
有新聞報道稱，美國有公司利用人體中的碳為原料做成了骨灰鑽石，這會是真的嗎？
這就要談到人造金剛石的技術方法了。
1、人造鑽石是怎樣合成的？
如今，合成人造金剛石的方法有很多，能夠產業化的技術主要有高溫高壓法（簡稱HTHP）和化學氣相沉積法（簡稱CVD）。工業合成金剛石，國內外基本上都採用HTHP。
中國合成金剛石在全世界佔據絕對優勢與自主研發的大型化合成壓機、優質硬質合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝（合稱粉狀工藝）的工業化密不可分。
大型化合成壓機是合成金剛石的核心設備，它要創造一個高溫（＞1400℃）、高壓（＞5GPa）的合成腔體，依碳元素平衡相圖，在這個腔體內，使碳原子形成穩定的金剛石晶體。國外常用的是單軸向壓力機，通稱兩面頂壓機，而中國則用互成90°的三軸向壓力機，這種六面頂壓機，靠鉸鏈式結構承載三軸向壓力。
對於壓力機來說，最關鍵的零件就是組成合成腔的釘鎚。頂錘要承受複雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應力的作用，加上加熱時瞬時錘面溫度達500～600℃，要求近萬次反覆使用壽命，服役條件十分苛刻。目前，頂錘材料採用WC-Co合金。
鉸鏈式六面頂壓機有兩個優點：第一個是鉸鏈梁中心部位設計安裝高壓油缸，油缸內置活塞，高壓油壓壓力從三個軸向推向合成腔體，三軸向壓力比兩面頂的單軸向壓力更有利單晶金剛石生長。它的另一個特點，是只需要6個相同的合金頂錘，不需要兩面頂壓機的硬質合金壓缸，而硬質合金壓缸的製造難度很大，成本很高。
中國從1965年設計製造這種六面頂壓機，迄今整個行業幾乎全採用六面頂壓機，並且開始被國外廠商引進。
有了合成的工具，接下來就是解決原料和工藝的問題了。合成金剛石需要的材料包括石墨和金屬觸媒，從2005年開始，整個合成金剛石行業都開始使用粉狀工藝，這種工藝是將石墨粉和觸媒粉的混合粉冷壓成合成塊，隨後脫氧處理，處理後的合成塊裝入葉蠟石的合成腔體中，靠兩端導電帽將大電流引入纏繞在合成塊周圍的碳質之類的薄件發熱體上，在合成塊周圍形成1個加熱爐。
從這個技術層面上看，以人體作為碳源來合成金剛石是完全可行的，只不過，由骨灰製成的碳粉最終能夠合成到鑽石中的比例是很小的，大部分都將會和觸媒混合後被後續酸洗作為污水處理掉。而成年人骨灰的碳含量並不算多，考慮到產率，最終得到的鑽石也不會太大。
2、合成鑽石產業有多「臟」？
之前談到，金剛石是石墨在金屬觸媒的作用下在合成腔內成長出來的，當這一爐「爆米花」出來的時候，恐怕是一點也看不到「鑽石」的璀璨，而是一個個黑疙瘩。這是因為，在人造鑽石合成時，觸媒粉與石墨粉會充分混合均勻，經過高溫高壓的合成過程，熔化後的觸媒金屬將金剛石和石墨熔融在一起，會形成一層金屬觸媒包衣。那麼，為什麼我們最終看到的鑽石是晶瑩璀璨的呢？
合成金剛石還有一個分離的步驟，也就是把金剛石從金屬觸媒包衣里「拿」出來的過程，很多的污染和危害也主要集中在這一步。
在最終的分離金剛石的工藝中，會用到濃硫酸和濃硝酸來除石墨和觸媒金屬，濃硫酸的作用是除石墨，硝酸的作用是除觸媒金屬，同時也參與除石墨的反應。合成金剛石時用到的觸媒金屬一般為Fe（鐵）和Ni（鎳），所以，化學反應之後的物質就是離子態的重金屬Co（鈷，鐵系元素之一）、Ni以及會對引起人體呼吸道刺激癥狀的大量的氮氧化物氣體和二氧化硫氣體、致癌物質HNO2（亞硝酸）。
這樣含有大量廢酸和重金屬Ni、Co的工業污水的處理對於人造金剛石行業來說是一個非常大的挑戰。
為了能夠製造出更加純凈的金剛石，化學氣相沉積法（CVD）提供了另一種技術途徑。它主要利用的是在高溫空間（也包括在基板）以及活性化空間中發生的化學反應，製備金剛石所用到的氣體原料一般為甲烷和氫氣，通過在高溫條件下激發使氣體發生分解，生成含碳基團的活性粒子，並最終在基片材料上沉積出金剛石膜。
3、人造鑽石與天然鑽石仍有區別
儘管人類已經掌握合成金剛石的方法，但是合成金剛石與天然金剛石仍舊有「天生」的區別。
與天然金剛石不同，人造金剛石在單晶晶體內夾有包裹體、氣泡，此外還會存在碳原子的替代、空位、位錯等。包裹體是採用HTHP合成觸媒與碳共熔體在晶體成長過程中夾持的殘留物，就是金剛石晶體中雜質元素的集聚區。
同時，由於氧氮等雜質的引入和觸媒中的Fe、Ni等的影響，人造金剛石會比天然金剛石在色澤上更偏黃。
目前，國內外金剛石中雜質含量十分接近，反映在抗壓破壞強度（CFS）和熱衝擊強度指數（TTI）上也非常接近，實測的平均值分別約42%、89%。這就是說，中國人造金剛石從晶形、強度、雜質含量等各方面評價，質量都已達到世界先進水平。
結語
中國合成金剛石的技術進步，使金剛石性價比大幅提高，成本不斷下降，工業金剛石的應用會越來越廣，未來，人們日常生活中將大量使用金剛石，鑽石芯CPU、鑽石芯手機、鑽石芯銀行卡或許不再遙遠。
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編輯| 史文慧
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