鉆石恒久遠，一顆永流傳，鉆石幾乎已經(jīng)成為了永恒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，“鉆石是女人最好的朋友”。對于女性來說，在愛情里，沒有什么是一顆鉆石...
鉆石恒久遠，一顆永流傳，鉆石幾乎已經(jīng)成為了永恒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，“鉆石是女人最好的朋友”。對于女性來說，在愛情里，沒有什么是一顆鉆石解決不了的，如果有，請用兩顆。
今年5月，著名鉆石品牌宣布要開啟自己的人造鉆石品牌，1克拉售價相當于人民幣5500元左右，不及同重量同等級天然鉆石售價的1/8。中國是全世界最大的人造金剛石產(chǎn)地，2017年，中國人造金剛石的產(chǎn)量就占到了全世界的九成以上。
有人說： “人造鉆石”是鉆石巨頭們的滅頂之災，中國制造則為鉆石產(chǎn)業(yè)敲響了喪鐘。今天我們就來聊聊鉆石的話題。
（一）鉆石為什么看上去那么璀璨奪目？
鉆石的學名是金剛石，有天然開采和人工合成兩大類。其英文名diamond，源于阿拉伯字“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(zhì)，卻并不代表它“無堅可摧”，相反，你拿一個錘子就能砸碎金剛石。不信的讀者可以用老婆的鉆戒試試。
這是由于，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，抵御沖擊載荷的能力極弱，說人話就是“脆”。
金剛石硬而脆的特性是由其晶體結(jié)構(gòu)決定的。金剛石雖然和石墨一樣，都是單質(zhì)碳，但是金剛石的原子采用sp3雜化，與3個相鄰的碳原子以共價鍵結(jié)合成四面體結(jié)構(gòu)，是典型的面心立方點陣結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)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(guī)則的多面體，而在特定角度的外加載荷下，金剛石晶體很容易斷裂。這也是鉆石切工的原理。
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(guī)律，這就使得光線在金剛石中折射，產(chǎn)生“色散現(xiàn)象”，呈現(xiàn)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，金剛石也并非越多面越好，獲得最理想的“火彩”，正是首飾鉆石切工的價值所在。
光線在鉆石內(nèi)的全反射臨界角為24°26′，要消除鉆石內(nèi)漏光區(qū)域，必須通過對鉆石亭部和冠部切割比例、角度和切割面數(shù)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(xiàn)全部反射，達到鉆石火彩的最佳效果。
（二）中國是世界上最大的人造鉆石生產(chǎn)國
在當今的鉆石首飾市場，雖然沒有權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計人造鉆石所占比例，但是早在2014年，鉆石行業(yè)就開始擔憂人造鉆石被用于天然鉆石珠寶。因為人造鉆石在實驗室條件下合成的質(zhì)量已經(jīng)不遜于天然鉆石，而且相比于天然鉆石的稀缺和日益高昂的開采成本，人造鉆石只是天然鉆石造價的一半。
美國寶石學院首席實驗室和研究官員Tom Moses曾表示，“天然鉆石和人造鉆石在化學、物理和光學上的屬性完全一樣；唯一的不同是形成方式，天然鉆石在地下經(jīng)過幾十億年形成，而實驗室生產(chǎn)人造鉆石只需要兩三天。”
世界上最大的人工鉆石制造國是哪里？相信你已經(jīng)猜到了——中國。
在人造金剛石生產(chǎn)領(lǐng)域，截至到2016年，中國已經(jīng)連續(xù)14年穩(wěn)居世界首位，中國人造金剛石產(chǎn)量占到全球人造單晶金剛石總產(chǎn)量的90%以上，光2016年的產(chǎn)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(jié)婚的新人有1133萬對，如果要將這一年人造金剛石產(chǎn)量平均到每對新人的話，約是1800克拉/人。這么一看，是不是每個新娘都能夠帶范爺那么大的鉆戒了？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(yè)界，發(fā)揮著這種純碳晶體絕佳的材料性能。
（三）除了用來欣賞，鉆石絕大部分流向工業(yè)界
金剛石這么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?zhèn)涓哂捕取⒏邿釋省⒏呋瘜W穩(wěn)定性和低膨脹系數(shù)，是一種優(yōu)異的光學材料。用天然金剛石制作的鏡片具有極佳的性能，已應用于航天領(lǐng)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(zhì)材料制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(wěn)定性、低膨脹系數(shù)等性能，在一些特別的場合，具有獨特的優(yōu)勢。比如，在加工原子核反應堆、精密光學儀器的的反射鏡、計算機硬盤、導彈或太空飛行器的導航陀螺、加速器電子槍等。
此外，相對于天然金剛石，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(jié)構(gòu)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(xiàn)，那么金剛石半導體器件的產(chǎn)業(yè)化也將成為可能。
（四）人造鉆石何時能替代天然鉆石？
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鉆石，這會是真的嗎？
這就要談到人造金剛石的技術(shù)方法了。
1、人造鉆石是怎樣合成的？
如今，合成人造金剛石的方法有很多，能夠產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)主要有高溫高壓法（簡稱HTHP）和化學氣相沉積法（簡稱CVD）。工業(yè)合成金剛石，國內(nèi)外基本上都采用HTHP。
中國合成金剛石在全世界占據(jù)絕對優(yōu)勢與自主研發(fā)的大型化合成壓機、優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝（合稱粉狀工藝）的工業(yè)化密不可分。
大型化合成壓機是合成金剛石的核心設(shè)備，它要創(chuàng)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(nèi)，使碳原子形成穩(wěn)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(jié)構(gòu)承載三軸向壓力。
對于壓力機來說，最關(guān)鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受復雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應力的作用，加上加熱時瞬時錘面溫度達500～600℃，要求近萬次反復使用壽命，服役條件十分苛刻。目前，頂錘材料采用WC-Co合金。
鉸鏈式六面頂壓機有兩個優(yōu)點：第一個是鉸鏈梁中心部位設(shè)計安裝高壓油缸，油缸內(nèi)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?shù)膯屋S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(zhì)合金壓缸，而硬質(zhì)合金壓缸的制造難度很大，成本很高。
中國從1965年設(shè)計制造這種六面頂壓機，迄今整個行業(yè)幾乎全采用六面頂壓機，并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(yè)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，隨后脫氧處理，處理后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(zhì)之類的薄件發(fā)熱體上，在合成塊周圍形成1個加熱爐。
從這個技術(shù)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，由骨灰制成的碳粉最終能夠合成到鉆石中的比例是很小的，大部分都將會和觸媒混合后被后續(xù)酸洗作為污水處理掉。而成年人骨灰的碳含量并不算多，考慮到產(chǎn)率，最終得到的鉆石也不會太大。
2、合成鉆石產(chǎn)業(yè)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(nèi)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“鉆石”的璀璨，而是一個個黑疙瘩。這是因為，在人造鉆石合成時，觸媒粉與石墨粉會充分混合均勻，經(jīng)過高溫高壓的合成過程，熔化后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。那么，為什么我們最終看到的鉆石是晶瑩璀璨的呢？
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，化學反應之后的物質(zhì)就是離子態(tài)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(zhì)HNO2（亞硝酸）。
這樣含有大量廢酸和重金屬Ni、Co的工業(yè)污水的處理對于人造金剛石行業(yè)來說是一個非常大的挑戰(zhàn)。
為了能夠制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(shù)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(fā)生的化學反應，制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(fā)使氣體發(fā)生分解，生成含碳基團的活性粒子，并最終在基片材料上沉積出金剛石膜。
3、人造鉆石與天然鉆石仍有區(qū)別
盡管人類已經(jīng)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(qū)別。
與天然金剛石不同，人造金剛石在單晶晶體內(nèi)夾有包裹體、氣泡，此外還會存在碳原子的替代、空位、位錯等。包裹體是采用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(zhì)元素的集聚區(qū)。
同時，由于氧氮等雜質(zhì)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(nèi)外金剛石中雜質(zhì)含量十分接近，反映在抗壓破壞強度（CFS）和熱沖擊強度指數(shù)（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(zhì)含量等各方面評價，質(zhì)量都已達到世界先進水平。
結(jié)語
中國合成金剛石的技術(shù)進步，使金剛石性價比大幅提高，成本不斷下降，工業(yè)金剛石的應用會越來越廣，未來，人們?nèi)粘Ｉ钪袑⒋罅渴褂媒饎偸@石芯CPU、鉆石芯手機、鉆石芯銀行卡或許不再遙遠。
