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人造鉆石是一種由直徑10到30納米的鉆石結(jié)晶聚合而成的多結(jié)晶鉆石。人造鉆石的的分子結(jié)構(gòu)并不是天然鉆石的完全八面體結(jié)構(gòu)而是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而會產(chǎn)生磷光現(xiàn)象。人造鉆石證書上會清楚注明該鉆石是人造鉆石，與天然鉆石不同，保護消費者利益。

生產(chǎn)方法

在2300℃、15到18萬個大氣壓的高溫高壓環(huán)境下，在中心放一顆很小的天然鉆石作為種子，在種鉆周圍是高溫金屬液體，在金屬溶液的上層是石墨，在這種環(huán)境下石墨中的碳原子會從金屬原子中列隊走向鉆石從而形成新的鉆石。這個俄羅斯的研究小組在冷戰(zhàn)結(jié)束后由于經(jīng)費問題而使人造鉆石研究一度停止，后來隨著美國珠寶商的注資又重新恢復(fù)過來。2005年美國的人造鉆石生產(chǎn)線的產(chǎn)能達(dá)到每小時5克拉。近期，俄羅斯的科學(xué)家們已經(jīng)研制出了直徑在3毫米左右與天然鉆石晶體結(jié)構(gòu)完全一致的人工鉆石。相信隨著研究的深入，在不遠(yuǎn)的將來就可以造出與天然鉆石一樣的人工鉆石。

1910 年布里奇曼設(shè)計出壓強達(dá)2 萬公斤/厘米2 的高壓裝置。1953 年美國通用電氣公司在他的裝置基礎(chǔ)上設(shè)計一種高壓裝置并利用它在1955 年首次合成了金剛石。這種方法也就成為傳統(tǒng)的人造金剛石的生產(chǎn)方法。

合成方法

1 、高溫高壓合成法：溫度和壓力仍是制造晶體的兩項關(guān)鍵因素,珠寶專業(yè)人士介紹，其方法是在陶瓷容器中而不是在地下制造鉆石,水壓提供高壓,電力產(chǎn)生高溫,使碳圍繞著直徑為 1 毫米,由天然鉆石制成的籽晶而形成晶體.

2 、化學(xué)氣相淀積合成法：使天然氣和氮氣加熱后,在洗碗機大小的壓力室里形成一種碳等離子體,該等離子體不斷沉積在壓力室底部的碳底層上,并逐漸積聚和硬化,形成鉆石薄片,進而切割成寶石形狀.

六面頂壓機生產(chǎn)工藝：

　　以六面頂壓機及工藝技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石和立方氮化硼，是我國具有完全知識產(chǎn)權(quán)、不同于其他各國的創(chuàng)新成果，是幾代中國科學(xué)家和廣大工程技術(shù)人員智慧的結(jié)晶，是我們國家超硬材料行業(yè)的驕傲！六面頂壓機及其工藝方法以令兩面頂方法為榮的發(fā)達(dá)國家科技人員刮目相看！物美價廉的六面頂壓機及其生產(chǎn)超硬材料的獨特方法已能經(jīng)濟地生產(chǎn)出世界先進水平的產(chǎn)品，逼著他們不得不引進中國的六面頂壓機進行研究和生產(chǎn)。

　　經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，金剛石生產(chǎn)工藝又有了許多新的突破，現(xiàn)簡要介紹如下：

　　低壓氣相沉積（ＣＶＤ）技術(shù)取得重大進展

　　該方法包括熱絲CVD和等離子放大CVD，是令CH4/H2，CH4/N2和CH4/Ar等能提供碳原子的氣體，在低壓及高溫的條件下，在合適的的底物(如Si, c-BN, SiC,Ni, Co, Pt, Ir and Pd等)上進行沉積，從而獲得高性能，高純度的金剛石薄膜。下圖為微波等離子放大CVD的設(shè)備示意圖：

　　用C60 生產(chǎn)金剛石薄膜

　　據(jù)英國《新科學(xué)家》1994 年7 月30 日報道，美國伊利諾伊阿貢國家實驗室的迪特爾·格倫（Dieter Gruen）發(fā)明了用C60 生產(chǎn)金剛石薄膜的技術(shù)，該方法可以說是對CVD 方法的改進。

　　CVD 法生產(chǎn)的金剛石薄膜生長速度往往較慢，并且會含有少量的氫，而氫會使金剛石的四方晶體變形，從而會損害金剛石薄膜的有用性能。格倫的新方法是在氬氣保護下，用兩個碳電極之間的電弧高溫產(chǎn)生含C60 分子的煙塵，然后對煙塵施加微波放電，通過放電使C60 中碳原子對破壞，然后碳原子再連接成雙碳二聚物，這種雙碳二聚物的特點是能快速的和工具或光學(xué)元件等表面結(jié)合，形成沒有氫原子的接近于純金剛石的膜。

　　這個膜的另一個優(yōu)點是金剛石的晶體比用傳統(tǒng)的甲烷和氫氣混合物方法生產(chǎn)的金剛石晶體小的多，晶體是有序的納米尺寸的晶體，因此形成的膜非常光滑。而用富含氫的甲烷混合氣體生產(chǎn)的晶體是微米級的晶體。

　　用甘蔗酒精作原料生產(chǎn)合成金剛石

　　據(jù)巴西郵報的披露，在世界上巴西首次用甘蔗酒精作原料生產(chǎn)出了人造金剛石，該項目有圣保羅州坎皮納斯市大學(xué)電氣工程學(xué)院實驗室負(fù)責(zé)研制。支持此項目研究的單位有巴西航天研究院等有關(guān)單位。

　　以甘蔗酒精作原料生產(chǎn)合成金剛石，是在一個特殊的反應(yīng)設(shè)施里進行的，通過控制壓力和溫度（約700 度），乙醇和氫在反應(yīng)設(shè)施里形成環(huán)流，加氟，乙醇被分裂成碳微粒，形成金剛石和石墨。氫和石墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，金剛石便附在硅片上。用化學(xué)方法從硅片上取下金剛石。在反應(yīng)設(shè)施中，金剛石每小時生長10μm，用1/10L 酒精即可生產(chǎn)20g 金剛石。目前用此技術(shù)生產(chǎn)的金剛石純度很高，熱導(dǎo)率和強度高、摩擦系數(shù)低，具有天然金剛石的特點。巴西研究人員還計劃從化學(xué)角度著手，改造工藝，把金剛石的生長溫度從目前的700度降到150 度，如成功，可使金剛石附在塑料上，生產(chǎn)一種金剛石塑料玻璃。這種玻璃具有堅固、不產(chǎn)生劃痕的優(yōu)點。

　　氧－乙炔火焰法合成金剛石

　　1988 年日本學(xué)者廣瀨洋一等首次使用氧－乙炔火焰法合成了金剛石。該方法設(shè)備簡單、經(jīng)濟實用，生長速度快，可比傳統(tǒng)的熱絲CVD 和微波等離子CVD 高出兩個數(shù)量級。

　　圖2 火焰法設(shè)備示意圖

　　設(shè)備結(jié)構(gòu)以圖2 為例，采用工業(yè)上用的氧氣和乙炔作氣源，通過兩個流量計分別調(diào)節(jié)它們各自的流量，然后按一定比例進入一工業(yè)焊槍，襯底材料（如硅片、鈦片等）放在放在焊槍下方通冷卻水的銅支座上，襯底溫度可用光測高溫計或熱電偶測量，一般襯底溫度控制在650 度到1050 度，通過調(diào)節(jié)焊槍上的氧氣閥和乙炔閥可控制它們各自的流量及它們的流量比。

　　低溫還原CO2 合成金剛石

　　國際化學(xué)界權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《美國化學(xué)會志》發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳乾旺教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組的論文《低溫還原二氧化碳（ＣＯ２）合成金剛石》。論文介紹了他們在人工合成金剛石（即鉆石）方面取得的重大突破——在４４０℃的低溫條件下以ＣＯ２為碳源成功地合成了２５０微米的大尺寸金剛石。

　　金剛石燃燒可變成ＣＯ２，而中國科大科學(xué)家的工作則首次實現(xiàn)了從ＣＯ ２到金剛石的逆轉(zhuǎn)變，預(yù)示著二者間碳循環(huán)存在著未知的內(nèi)在規(guī)律。該成果在國際上引起了極大反響。英國《新科學(xué)家》、美國《切割工具工程》和意大利、法國、德國等傳媒紛紛對此進行了報道，評價其為“廢氣中產(chǎn)生的寶石思想”、“從溫室氣體中收獲鉆石”、“金剛石來源于稀薄空氣”。

　　陳乾旺教授和他的同事們研制高壓反應(yīng)釜進行實驗，用安全無毒的二氧化碳作原料，使用金屬鈉作為還原劑，在４４０℃和８００個大氣壓的條件下，經(jīng)過１２小時的化學(xué)反應(yīng)，終于成功地將ＣＯ２還原成了金剛石。ＣＯ２轉(zhuǎn)化金剛石的產(chǎn)率達(dá)８．９％，在顯微鏡下，人們可清晰地看到所生成的美麗晶體。目前，已能生長出１．２毫米的金剛石，有望達(dá)到寶石級。

　　用炸藥爆轟合成納米金剛石粉

　　用炸藥爆轟合成納米金剛石粉,是20 世紀(jì)80 年代末期發(fā)展起來的制備納米級粉體的一種新方法。通常的做法是:用混合炸藥在充有保護介質(zhì)的密閉容器中爆轟,得到的產(chǎn)物是納米金剛石和非金剛石相碳的混合粉,通過化學(xué)提純、干燥等工藝除去非金剛石碳而得到納米金剛石粉。

　　炸藥爆轟法制備納米石墨粉并在高壓合成金剛石

　　納米顆粒的粉料具有尺寸小、比表面積大、量子尺寸效應(yīng)等特性,它對光、機械應(yīng)力、電的反應(yīng)完全不同于常規(guī)尺寸的結(jié)構(gòu)顆粒,從而使納米材料的理化性質(zhì)發(fā)生根本變化,具有常規(guī)晶體材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)性質(zhì).故用納米石墨高壓合成金剛石將具有重要意義.目前西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室的研究工作已取得初步進展,用納米石墨作碳源,在國產(chǎn)6×1200ｔ鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C上,選用Ｆｅ粉觸媒,在5 1ＧＰａ和1250—1330Ｋ的條件下,合成出顆粒尺寸在5—15μｍ左右、呈球狀或塊狀的金剛石。

　　他們以純梯恩梯(ＴＮＴ)為轟爆劑,ＣＯ2 為保護氣氛，爆轟前,將爆炸容器內(nèi)抽成真空(約為200Ｐａ),充入ＣＯ2 氣體到105Ｐａ.點火引爆藥柱,獲得納米石墨粉。然后在六面頂壓機中用納米石墨粉在Ｆｅ粉觸媒的作用下進行金剛石的高壓合成實驗.實驗結(jié)果表明,約在1250—1330Ｋ的范圍內(nèi),有金剛石顆粒生成,顆粒尺寸為5—15μｍ,呈球狀或塊狀.這一合成溫度比用普通石墨合成金剛石的溫度低約300Ｋ。

　　與普通石墨粉相比,納米石墨粉具有大的比表面積、較小的顆粒尺寸,這樣納米石墨粉和觸媒合金有較大的接觸面積.納米石墨的表面原子狀態(tài)與普通石墨內(nèi)部原子狀態(tài)相比活性更高,而其表面原子數(shù)量遠(yuǎn)比普通石墨多.納米石墨粉的這些特點都有可能使合成金剛石的條件發(fā)生改變.從我們的實驗結(jié)果來看,用納米石墨粉合成金剛石,使合成溫度降低,這對節(jié)約合成人造金剛石原材料與能源、降低設(shè)備技術(shù)要求等都具有重要意義

　　隨著世界科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人造金剛石的工藝不斷更新，人造金剛石工業(yè)在世界范圍內(nèi)受少數(shù)國家（公司）壟斷的時代已經(jīng)過去，生產(chǎn)布局向多極化方向發(fā)展，亞洲將成為新世紀(jì)初期人造金剛石工業(yè)發(fā)展“熱點”地區(qū)。進入２１ 世紀(jì)，建材、地質(zhì)、石油天然氣、機電、汽車等行業(yè)都將需要大量的金剛石，人造金剛石市場需求將更加旺盛，前景更加輝煌。