鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳，鉆石幾乎已經(jīng)成為了永恒愛(ài)情最適合的等價(jià)物。半個(gè)多世紀(jì)前，性感女神瑪麗蓮夢(mèng)露也曾告訴我們，“鉆石是女人最好的朋友”。對(duì)于女性來(lái)說(shuō)，在愛(ài)情里，沒(méi)有什么是一顆鉆石解決不了的，如果有，請(qǐng)用兩顆。

       今年5月，著名鉆石品牌宣布要開(kāi)啟自己的人造鉆石品牌，1克拉售價(jià)相當(dāng)于人民幣5500元左右，不及同重量同等級(jí)天然鉆石售價(jià)的1/8。中國(guó)是全世界最大的人造金剛石產(chǎn)地，2017年，中國(guó)人造金剛石的產(chǎn)量就占到了全世界的九成以上。

       有人說(shuō)： “人造鉆石”是鉆石巨頭們的滅頂之災(zāi)，中國(guó)制造則為鉆石產(chǎn)業(yè)敲響了喪鐘。今天我們就來(lái)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(xué)名是金剛石，有天然開(kāi)采和人工合成兩大類。其英文名diamond，源于阿拉伯字“almas”(“最堅(jiān)硬的”)或希臘字“Adamas”(“無(wú)敵的”)，顯然從人類認(rèn)識(shí)金剛石開(kāi)始，它就是無(wú)比堅(jiān)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(wú)堅(jiān)可摧”，相反，你拿一個(gè)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(shuō)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(gè)相鄰的碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合成四面體結(jié)構(gòu)，是典型的面心立方點(diǎn)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(kuò)散堆集長(zhǎng)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(gè)面，反射與折射的效果就會(huì)增加，看起來(lái)就會(huì)更加璀璨。不過(guò)，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(jià)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(guò)對(duì)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(cè)算，再通過(guò)最精湛的工藝才能將射入的光線實(shí)現(xiàn)全部反射，達(dá)到鉆石火彩的最佳效果。

       （二）中國(guó)是世界上最大的人造鉆石生產(chǎn)國(guó)

       在當(dāng)今的鉆石首飾市場(chǎng)，雖然沒(méi)有權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)人造鉆石所占比例，但是早在2014年，鉆石行業(yè)就開(kāi)始擔(dān)憂人造鉆石被用于天然鉆石珠寶。因?yàn)槿嗽煦@石在實(shí)驗(yàn)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(kāi)采成本，人造鉆石只是天然鉆石造價(jià)的一半。

       美國(guó)寶石學(xué)院首席實(shí)驗(yàn)室和研究官員Tom Moses曾表示，“天然鉆石和人造鉆石在化學(xué)、物理和光學(xué)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(guò)幾十億年形成，而實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)人造鉆石只需要兩三天?！?br/>

       世界上最大的人工鉆石制造國(guó)是哪里？相信你已經(jīng)猜到了——中國(guó)。

       在人造金剛石生產(chǎn)領(lǐng)域，截至到2016年，中國(guó)已經(jīng)連續(xù)14年穩(wěn)居世界首位，中國(guó)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(lái)算這樣一筆帳：2016年中國(guó)登記結(jié)婚的新人有1133萬(wàn)對(duì)，如果要將這一年人造金剛石產(chǎn)量平均到每對(duì)新人的話，約是1800克拉/人。這么一看，是不是每個(gè)新娘都能夠帶范爺那么大的鉆戒了？顯然不是。

       其實(shí)，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(lái)欣賞，鉆石絕大部分流向工業(yè)界

       金剛石這么好的光學(xué)性能僅僅是觀賞看閃光就太可惜了。事實(shí)上，金剛石很大的一方面用途就是做光學(xué)器件。

       金剛石具有從X射線到微波整個(gè)波段高的透過(guò)率，兼?zhèn)涓哂捕?、高熱?dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性和低膨脹系數(shù)，是一種優(yōu)異的光學(xué)材料。用天然金剛石制作的鏡片具有極佳的性能，已應(yīng)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(guò)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(dāng)然，金剛石作為硬質(zhì)材料制成刀具也是常見(jiàn)的應(yīng)用。

       同時(shí)，金剛石具有高熱傳導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)等性能，在一些特別的場(chǎng)合，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如，在加工原子核反應(yīng)堆、精密光學(xué)儀器的的反射鏡、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、導(dǎo)彈或太空飛行器的導(dǎo)航陀螺、加速器電子槍等。

       此外，相對(duì)于天然金剛石，人造金剛石可以人為控制合成過(guò)程，所以人造金剛石的成分和微觀結(jié)構(gòu)都可以進(jìn)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(dǎo)率高，是理想的半導(dǎo)體材料，若n型摻雜得以實(shí)現(xiàn)，那么金剛石半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化也將成為可能。

       （四）人造鉆石何時(shí)能替代天然鉆石？

       有新聞報(bào)道稱，美國(guó)有公司利用人體中的碳為原料做成了骨灰鉆石，這會(huì)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(jiǎn)稱HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（簡(jiǎn)稱CVD）。工業(yè)合成金剛石，國(guó)內(nèi)外基本上都采用HTHP。

       中國(guó)合成金剛石在全世界占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)與自主研發(fā)的大型化合成壓機(jī)、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(jī)是合成金剛石的核心設(shè)備，它要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)高溫（＞1400℃）、高壓（＞5GPa）的合成腔體，依碳元素平衡相圖，在這個(gè)腔體內(nèi)，使碳原子形成穩(wěn)定的金剛石晶體。國(guó)外常用的是單軸向壓力機(jī)，通稱兩面頂壓機(jī)，而中國(guó)則用互成90°的三軸向壓力機(jī)，這種六面頂壓機(jī)，靠鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載三軸向壓力。

       對(duì)于壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受復(fù)雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應(yīng)力的作用，加上加熱時(shí)瞬時(shí)錘面溫度達(dá)500～600℃，要求近萬(wàn)次反復(fù)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?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)是鉸鏈梁中心部位設(shè)計(jì)安裝高壓油缸，油缸內(nèi)置活塞，高壓油壓壓力從三個(gè)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(zhǎng)。它的另一個(gè)特點(diǎn)，是只需要6個(gè)相同的合金頂錘，不需要兩面頂壓機(jī)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(guó)從1965年設(shè)計(jì)制造這種六面頂壓機(jī)，迄今整個(gè)行業(yè)幾乎全采用六面頂壓機(jī)，并且開(kāi)始被國(guó)外廠商引進(jìn)。

       有了合成的工具，接下來(lái)就是解決原料和工藝的問(wèn)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(kāi)始，整個(gè)合成金剛石行業(yè)都開(kāi)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?jī)啥藢?dǎo)電帽將大電流引入纏繞在合成塊周?chē)奶假|(zhì)之類的薄件發(fā)熱體上，在合成塊周?chē)纬?個(gè)加熱爐。

       從這個(gè)技術(shù)層面上看，以人體作為碳源來(lái)合成金剛石是完全可行的，只不過(guò)，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(huì)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(huì)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(zhǎng)出來(lái)的，當(dāng)這一爐“爆米花”出來(lái)的時(shí)候，恐怕是一點(diǎn)也看不到“鉆石”的璀璨，而是一個(gè)個(gè)黑疙瘩。這是因?yàn)椋谌嗽煦@石合成時(shí)，觸媒粉與石墨粉會(huì)充分混合均勻，經(jīng)過(guò)高溫高壓的合成過(guò)程，熔化后的觸媒金屬將金剛石和石墨熔融在一起，會(huì)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(gè)分離的步驟，也就是把金剛石從金屬觸媒包衣里“拿”出來(lái)的過(guò)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(huì)用到濃硫酸和濃硝酸來(lái)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(shí)也參與除石墨的反應(yīng)。合成金剛石時(shí)用到的觸媒金屬一般為Fe（鐵）和Ni（鎳），所以，化學(xué)反應(yīng)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(huì)對(duì)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(duì)于人造金剛石行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

       為了能夠制造出更加純凈的金剛石，化學(xué)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(xué)反應(yīng)，制備金剛石所用到的氣體原料一般為甲烷和氫氣，通過(guò)在高溫條件下激發(fā)使氣體發(fā)生分解，生成含碳基團(tuán)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(huì)存在碳原子的替代、空位、位錯(cuò)等。包裹體是采用HTHP合成觸媒與碳共熔體在晶體成長(zhǎng)過(guò)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(shí)，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(huì)比天然金剛石在色澤上更偏黃。

       目前，國(guó)內(nèi)外金剛石中雜質(zhì)含量十分接近，反映在抗壓破壞強(qiáng)度（CFS）和熱沖擊強(qiáng)度指數(shù)（TTI）上也非常接近，實(shí)測(cè)的平均值分別約42%、89%。這就是說(shuō)，中國(guó)人造金剛石從晶形、強(qiáng)度、雜質(zhì)含量等各方面評(píng)價(jià)，質(zhì)量都已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

       結(jié)語(yǔ)

       中國(guó)合成金剛石的技術(shù)進(jìn)步，使金剛石性價(jià)比大幅提高，成本不斷下降，工業(yè)金剛石的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，未來(lái)，人們?nèi)粘Ｉ钪袑⒋罅渴褂媒饎偸?，鉆石芯CPU、鉆石芯手機(jī)、鉆石芯銀行卡或許不再遙遠(yuǎn)。