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人造“大克拉”來了,鉆石還能恒久遠嗎?
2019年05月26日 10時08分15秒 來源: 新華網 我來評論

還記得那句著名的廣告詞嗎?“鉆石恒久遠”,天然鉆石以其漫長的形成過程和相對稀缺性,成為婚嫁飾品的首選。不過,近年來,人工合成方法越來越成熟,人造鉆石個頭越來越大,純凈度越來越高,最近中國兵器工業集團豫西集團中南鉆石公司推出大顆粒“首飾用鉆石”,表明該產品在生產上獲得重大技術突破。鉆石的天然與否今后可能會被人們忽略,“恒久遠”的故事也很難再講下去了。

制造高溫高壓環境

就能人工合成鉆石

鉆石,又叫金剛石,和鉛筆芯的主要成分——石墨一樣,都由碳原子組成。但結構的差異卻讓石墨在莫氏硬度等級中只排在最低的1級,鉆石則位于最高的10級。碳原子之間之所以會形成不同的結構,關鍵在于壓力和溫度。在不同的壓力和溫度條件下,碳原子會變成石墨、鉆石、液體等各種形態。

天然鉆石大多數是在地球內部的高溫高壓下形成的,地球誕生后不久便開始在內部結晶。那里的壓力在4.5Gpa到6Gpa。大致換算下來相當于地下150公里到200公里的深度。從目前開采的鉆石礦中發現,絕大多數的鉆石形成年代都在20億至30億年前,在南非地區發現的一些鉆石的年齡甚至達到了45億年左右。

了解了鉆石形成的過程,就可以根據“碳相圖”人為地創造相應的壓力和溫度條件,合成出鉆石。

人造鉆石的主要合成方法有兩種:高溫高壓合成法和化學氣相沉積法。

最初的合成方法,也是目前普遍使用的方法,是高溫高壓合成法。一般情況下壓力高達5GPa-6GPa,相當于用一根手指頂起一架商用噴氣式飛機所承受的壓力;溫度則達到1300℃-1600℃。其大致原理是:高溫高壓下,石墨粉融于金屬熔劑中,碳原子向高壓艙較冷的一端擴散,最終在籽晶上結晶生長。

制造高溫高壓,最簡單粗暴的是爆炸法。把含碳原子的TNT和轟爆壓力非常高的RDX兩種炸藥混合,在鋼制厚壁罐體中引爆,產生1000℃以上的高溫和30GPa的超高壓,TNT中的一部分碳原子就會聚合成5-15納米大小的鉆石,稱為金剛石粉。

自20世紀50年代起,人們就開始生產人造鉆石用于工業用途,其在電信、激光光學、醫療保健等領域中得以廣泛應用。1970年,通用電氣的研究員制成了第一顆非常小的寶石級合成鉆石,可以像寶石一樣進行刻面處理。到20世紀80年代中期,其他制造商已能夠生產合成鉆石。不過,傳統高壓高溫法合成的鉆石克拉數較小,而且金屬觸媒會在鉆石內留有殘渣,機器內極少量的氮元素還會混入鉆石中,讓鉆石呈現黃色,因此無法作為首飾級鉆石。

但隨著合成技術的不斷改進,現在已經可以合成出30克拉以上的無色鉆石。溫度梯度、除氮和摻硼技術是合成無色鉆石的三大核心技術。目前這種合成鉆石的鑒定要點,主要是觀察鉆石內部的金屬包體,以及高能光源激發下異常的結構色。

骨灰中也有碳元素

被人制成鉆石飾品

相比之下,化學氣相沉淀法可以大幅改善高壓高溫法合成鉆石帶來的缺陷。這種方法同樣需要晶種,經過機械拋光、酸處理等方式處理掉表面雜質后,放在只有十分之一大氣壓的真空室中,注入甲烷氣體和氫氣,通過微波等方式加熱到800℃-1000℃。

此時,甲烷會分解出碳原子,形成等離子體,降落在底部的晶種上,沉淀結晶,能以每小時0.006毫米的速度生長,不到兩天,就會獲得一顆周圍包裹著石墨的鉆石。這種方法合成的鉆石能達到高級天然鉆石的顏色和純凈度,克拉數也更高。2017年,德國奧格斯堡大學合成出了一塊直徑92厘米、155克拉的鉆石。

隨著人工合成方法越來越成熟,人工鉆石也被玩出了不少新花樣。芝加哥曾有一家紀念品公司為了紀念逝者,把人類的骨灰變成了美麗的鉆石。其原理是骨灰中含有碳元素。這種鉆石的制造,首先要把骨灰放進5400℃高溫的真空感應爐里提純,將碳從骨灰中提取出來;然后再將其加熱到3000℃變成石墨;最后,把這些石墨放入一個壓力器中兩個星期,就能在巨大的高溫壓力作用下變成一顆人造鉆石了。整個過程大約需要16個星期。

巴西的工程師還曾用甘蔗酒精作原料生產出了人造鉆石。以甘蔗酒精作原料生產合成金剛石,是在一個特殊的反應設施里進行的,通過控制壓力和溫度,使乙醇和氫在反應設施里形成環流,在這個過程中加氟,乙醇被分裂成碳微粒,形成金剛石和石墨。氫和石墨發生化學反應,金剛石便附在硅片上。最后再用化學方法從硅片上取下金剛石。

有望引發新一代

半導體技術革命

就像之前提到過的那樣,人造鉆石也是貨真價實的鉆石,成分、結構與天然鉆石完全相同,兩者只能通過非常特殊的方式區分。隨著人造鉆石合成方法的成熟,產量的提升,大量的人造鉆石正從各國的實驗室中生產出來。

2017年,合成鉆石的平均售價只比天然鉆石便宜10%-20%,一年之后,這個差距已經拉開到30%-40%。據日經新聞2018年8月2日報道,隨著技術的進步,實驗室制造的鉆石早已用于工業生產。中國的實驗室不僅能夠制造較小的、黃色的寶石,還可以制造較大的、無色的寶石,并拓寬了它們在珠寶行業的用途。中國的鉆石實驗室通常擁有數千臺合成設備,每臺設備一次可生產100顆寶石。

最近,中國兵器工業集團豫西集團中南鉆石公司推出大顆粒“首飾用鉆石”,該公司通過自主研發,攻克了觸媒配方及制備的技術壁壘,解決了國產六面頂壓機不能滿足長時間合成的行業難題,成功地實現了寶石級培育鉆石的規?;?,并掌握了20克拉以內大尺寸鉆石合成技術。

目前,豫西集團已掌握了20克拉以內大尺寸高溫高壓培育鉆石單晶合成技術,掌握了黃鉆、藍鉆、綠鉆、紫-紅鉆等彩色鉆石生產技術。實現了批量供應粒度最大、品級最優、色彩可控的克拉級培育鉆石。

除了作為飾品,鉆石還是“工業牙齒”。以金剛石車刀為例,其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無法檢測,利用它來切削加工,往往可以直接獲得鏡面。利用鉆石超硬的力學性能,可加工世界上所有的已知材料。利用其無與倫比的熱光聲電性能,可用于航天員宇宙射線防護、尖端武器裝備隱身防腐、提高導彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測,可用作大規模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領域。而人造鉆石技術的成熟,也有助于進一步降低制造業的成本。

此外,金剛石電子器件相比其他半導體器件具有體積小、集成度高和無需制冷的優勢。隨著人工鉆石制造技術的進步和成本的降低,有希望引發新一代半導體技術的革命。(記者任志方)

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[編輯:張穎]
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