人工培育宝石级钻石的方法

(一) 静压法合成钻石

静态超高压是采用特制的压机对传压介质施加机械压力而产生的。静压法合成钻石的特点是, 在钻石稳定区利用静态超高压高温技术, 使非钻石结构碳直接转变或通过同熔(溶) 媒反应得到磨料级钻石、大颗粒单晶和多晶钻石; 使细粒钻石通过熔(溶) 媒在晶种上长成大颗粒单晶钻石。

1. 静压熔(溶) 媒法

石墨只有在5～10 GPa 的压力和1000～2000 ℃的高温下, 并在熔(溶) 媒的帮助下才能转变成钻石。该法是用液压机加压产生高压, 以交流或直流电通过石墨试样加热产生高温, 加金属或合金作为熔(溶) 媒, 使石墨转变为钻石的方法。可得到磨料级钻石、大颗粒钻石单晶和聚晶。

2. 静压直接转变法

不用金属或合金作熔( 溶) 媒, 使石墨在更高的温度( 2700 ℃) 和压力( 12. 5GPa) 条件下直接转变成钻石, 得到的是微细钻石粉末。

3. 用晶种的熔(溶) 媒法

这是生长大颗粒钻石的方法。是以钻石粉为碳源, 通过熔(溶) 媒从高温区(供碳区) 输运到低温区(生长区) 的晶种上长成大颗粒单晶钻石。美国通用电气公司(1970年) 用此法在6 GPa 的压力和1500 ℃的温度下, 用一周时间生长出1 ct 左右(粒度接近6 mm) 的宝石级优质钻石单晶, 与天然钻石很接近。此法主要缺点是生长速率慢、成本高, 未能投入工业生产。

(二) 动压法合成钻石

动压法是利用动态冲击波技术, 使石墨等碳质原料直接转变为钻石。动态冲击波由核爆炸、烈性炸药、强放电和高速碰撞等瞬时产生的。冲击波在介质中高速传播时, 它的阵面后边产生很高的压力和温度, 所以受冲击波作用的物质就能同时获得超高压高温。用这种方法产生的压力, 一般可达几十到几百吉帕( GPa ) 。但作用时间短( 约几微秒) , 压力和温度不能分别加以控制。此法得到的钻石为六方晶系。

下面介绍具体方法:

1. 爆炸法

利用烈性炸药(常用40%TN T 加60%黑索金) 引爆后产生的冲击波直接作用或通过金属飞片高速碰撞石墨板块状试样, 在几微秒内产生的瞬时压力约达20～200 GPa ,使石墨转变为钻石。此法得到的是微细粉末状钻石( < 40 μm) , 颗粒表面吸附有害杂质较多, 适宜于制研磨膏和作为聚晶钻石的原料。此法最大的优点是便宜、投资少、单次产量高(可达500 ct 左右) 。在最佳情况下, 每千克炸药能生产60 ct 钻石。

2. 液中放电法

是将含有熔(溶) 媒金属的石墨电极与空心圆筒石墨(或金属) 作为两电极, 浸在低蒸发热的液体介质中, 空心电极与石墨电极同轴。当电极与10000 μF 的电容和在2000 V 下放电的蓄电波相联时, 便产生电火花。这时, 在两电极之间的液体中产生冲击波, 使从石墨电极上熔落下来的微粒碳质原料直接转变为钻石。冲击波所产生的压力、温度与放电能量有关。此法生成的钻石粒度, 一般为几十微米, 最大可达0. 5mm。与其他方法比较, 其特点是设备费用和维持费用较低, 能降低产品成本; 另外能连续运转, 便于自动化连续生产。主要缺点是产量不高。

3. 直接转变成六方晶系钻石

用结晶良好的石墨作为原料, 对它的c 轴给予强的压缩, 在13 GPa 和1000 ℃以上的温度下, 直接转变为六方晶系钻石。

(三) 低压法合成钻石

低压法是在钻石亚稳区(常压或低压条件下) 进行外延生长钻石的一种方法。具体方法有以下几种:

1. 气相法

以气态含碳物质作碳源的生长钻石技术, 是把甲烷、乙烷、丙烷、丙酮等气体在1 000 ℃左右和分压在0. 1～1 mm 水银柱高的范围内通过钻石晶种, 分解出的碳沉淀在晶种上并外延生长钻石。此法生长速率慢、颗粒很细。

2. 液相外延生长法

以液态含碳物质为碳源的生长钻石技术, 是利用温度和电解原理, 把碳质原料在高温区熔进金属或合金熔体中, 并在低温区析出碳作碳源, 或使含碳液体电解出碳的离子, 在晶种上外延生长钻石。所用的金属有铅、铜、铝、铋、金、银、锑、锡、锗等及它们的合金, 在高温约1600 ℃ 熔融, 低温约1250 ℃ 生长钻石, 其生长速率约2. 5mm/ d (毫米/ 天)。所用的液体有好几种, 如氟氯烷, 电极上覆盖着氟化碳、钻石粉、硅、锗、碳化硅等作基底, 用交流电源或脉冲直流电源进行电解。美国曾提出用此法生长大钻石单晶。

3. 气- 液固相外延法

以气、液态含碳物质作碳源的生长钻石技术, 是用6000 W 氙灯作热源, 用稍低于常压的含碳气体(如甲烷) 充入灯内, 焦点处放装有钻石晶种的石英容器, 热解反应得到的碳通过熔(溶) 媒金属到晶种表面进行外延生长。用这种方法得到的钻石, 其直径为10～50 mm, 长2 mm 的晶须和直径约0. 1 mm 的球状钻石, 生长速率平均10 μm/ h( 微米/ 小时) , 最大可达100～400μm/ h。1970 年在晶种的(111 ) 面上长成了直径为80 μm、长120 μm 的晶须。

4. 常压高温合成法

是用常压高温冶炼技术获得钻石的方法。冶炼温度一般为1400～1800 ℃ , 保温半小时或更长, 冷却时间达几小时。生长的钻石为0. 1～0. 5 mm, 个别曾超过0. 5 mm。

5. 地下核爆炸法

此法利用核爆炸产生极高压高温条件, 采取一定措施, 可达到高产、颗粒大、成本低的目的。