人造“大克拉”来了，钻石还能恒久远吗？

你还记得那个著名的广告吗？“钻石永存。”天然钻石由于其漫长的形成过程和相对的稀缺性，已经成为婚礼装饰品的首选。然而，近年来，人工合成方法越来越成熟，人造金刚石越来越大，纯度越来越高。近日，中国兵器工业集团河南西部集团中南钻石公司推出大颗粒“珠宝用钻石”，标志着该产品在生产上取得重大技术突破。钻石是否天然在未来可能会被忽略，而“永恒”的故事也很难再讲了。

制造高温高压环境

可以人工合成钻石

钻石，也叫钻石，是由石墨等碳原子组成的，石墨是铅笔芯的主要成分。然而，结构上的差异使得石墨在莫氏硬度等级中仅排在最低的1级，而金刚石排在最高的10级。碳原子之间形成不同结构的关键在于压力和温度。在不同的压力和温度条件下，碳原子会变成石墨、金刚石、液体和其他形式。

大多数天然钻石是在地球内部的高温高压下形成的，在地球诞生后不久就开始在地球内部结晶。那里的压力在4.5Gpa和6Gpa之间。大致相当于地下150到200公里的深度。从目前开采的钻石矿来看，绝大多数钻石形成于20亿至30亿年前，在南非发现的一些钻石已有45亿年历史。

了解金刚石的形成过程可以根据“碳相图”人为地创造相应的压力和温度条件来合成金刚石。

人造金刚石主要有两种合成方法:高温高压合成法和化学气相沉积法。

目前还广泛使用的原始合成方法是高温高压合成法。一般来说，压力高达5GPa-6GPa，相当于用一个手指顶起一架商用喷气式飞机所承受的压力。温度达到1300-1600℃。一般原理是石墨粉末在高温高压下熔化成金属熔剂，碳原子扩散到高压室的较冷端，最后在籽晶上结晶生长。

产生高温高压的最简单、最残酷的方法就是爆炸。将含碳原子的梯恩梯与爆压很高的黑索今炸药在钢制厚壁罐中混合引爆，产生1000℃以上的高温和30千兆帕的超高压，梯恩梯中的一部分碳原子聚合成5-15纳米大小的金刚石，称为金刚石粉。

自20世纪50年代以来，人们开始生产工业用人造钻石，广泛应用于电信、激光光学、医疗保健等领域。1970年，通用电气公司的研究人员制造了第一颗非常小的宝石级人造钻石，它可以像宝石一样刻面。到1980年代中期，其他制造商已经能够生产人造钻石。然而，用传统的高压高温方法合成的钻石克拉数很小，金属催化剂会在钻石中留下残留物，机器中极少量的氮元素也会混入钻石中，使钻石变成黄色，因此不能用作珠宝级钻石。

然而，随着合成技术的不断改进，现在可以合成30克拉以上的无色钻石。温度梯度、氮去除和硼掺杂是无色金刚石合成的三大核心技术。目前，鉴定这种人造金刚石的要点主要是观察金刚石内部的金属包裹体和高能光源激发的异常结构色。

碳也存在于灰烬中。

被制成钻石饰品

相比之下，化学气相沉积可以大大改善由高压和高温方法合成的金刚石引起的缺陷。这种方法也需要晶种。通过机械抛光、酸处理等方法去除表面杂质后，放入只有十分之一大气压的真空室中，注入甲烷气体和氢气，用微波等方法加热到800-1000℃。

此时，甲烷将分解碳原子，形成等离子体，落在底部的籽晶上，沉淀晶体，并能以每小时0.006毫米的速度生长。不到两天，就会得到一颗被石墨包围的钻石。用这种方法合成的金刚石可以达到高档天然金刚石的颜色和纯度，并且克拉数也较高。2017年，德国奥格斯堡大学合成了一颗直径92厘米、重155克拉的钻石。

随着合成方法越来越成熟，人造钻石也在玩着许多新把戏。芝加哥的一家纪念品公司曾将人类骨灰制成美丽的钻石来纪念死者。原理是灰烬含有碳。要制造这种钻石，首先要在5400℃的真空感应炉中提纯灰烬，并从灰烬中提取碳。然后加热到3000℃变成石墨。最后，将石墨放入压力容器中两周，在巨大的高温压力作用下，它将变成人造金刚石。整个过程大约需要16周。

巴西工程师还使用甘蔗酒精作为原料生产人造钻石。甘蔗酒精生产人造金刚石是在一个特殊的反应设备中进行的。通过控制压力和温度，乙醇和氢气在反应设备中形成循环。在这个过程中，加入氟，乙醇分解成碳颗粒，形成金刚石和石墨。氢与石墨反应，金刚石附着在硅片上。最后，通过化学方法从硅晶片上去除金刚石。

这有望引发新一代

半导体技术革命

如前所述，人造钻石也是真正的钻石。它们的成分和结构与天然钻石完全相同。这两者只能以一种非常特殊的方式来区分。随着人造钻石合成方法的成熟和产量的增加，许多国家的实验室正在生产大量人造钻石。

2017年，人造钻石的平均售价仅比天然钻石低10%-20%。一年后，差距扩大到30%-40%。根据日经新闻2018年8月2日的报道，随着技术的进步，实验室制造的钻石早已用于工业生产。中国的实验室不仅能生产较小的黄色宝石，还能生产较大的无色宝石，并扩大其在珠宝行业的应用。中国的钻石实验室通常有数以千计的合成设备，每个设备一次可以生产100颗宝石。

近日，中国兵器工业集团河南西部集团中南钻石公司推出大型“珠宝用钻石”。公司通过自主研发，克服了催化剂配方和制备的技术障碍，解决了国内立方压机无法满足长期合成需求的行业难题，成功实现了宝石级栽培钻石的大规模生产，掌握了20克拉以内大尺寸钻石的合成技术。

目前，玉溪集团已掌握了20克拉以内的大规模高温高压金刚石单晶培育的合成技术，以及黄钻石、蓝钻石、绿钻石、紫红色钻石等彩色钻石的生产技术。实现了批量供应粒度最大、品位最好、颜色可控的克拉级栽培钻石。

除了用作装饰品，钻石也是“工业牙齿”。以金刚石车刀为例，其刃口圆弧半径可以被磨尖到扫描电子显微镜也无法检测的程度。当用于切割时，通常可以直接获得镜面。利用金刚石的超硬机械性能，可以加工世界上所有已知的材料。它具有无与伦比的热-光-声-电特性，可用于航天员宇宙射线防护、先进武器装备的隐身和防腐、提高导弹飞行速度和打击精度、大功率激光探测，并可用于大规模集成电路和发光二极管新型光源散热器等先进领域。人造金刚石技术的成熟也将有助于进一步降低制造成本。

此外，与其他半导体器件相比，金刚石电子器件具有体积小、集成度高、无需制冷等优点。随着人造金刚石制造技术的进步和成本的降低，有望引发新一代的半导体技术革命。