如何批量製造鑽石｜回形針_風聞

－文字稿－

這裏有兩顆鑽石，左邊這顆是在地底經過上百萬年才形成的天然鑽石，而右邊這顆是用機械設備只花了三四天合成的人造鑽石。

這兩種鑽石有什麼區別？怎樣才能合成一顆高品質的人造鑽石？

鑽石，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，鑽石則位於最高的 10 級。

碳原子之間之所以會形成不同的結構，關鍵在於壓力和温度。

從這張碳相圖可以看出，在不同的壓力和温度條件下，碳原子會變成石墨、鑽石、液體等各種形態。

其中 GPa 是壓強單位，1GPa 相當於一隻 10 噸的非洲象踩在你小腳趾上的力量。

這個區間就是天然鑽石的形成條件。

在地下 100~300km，約 4.5~6GPa 、1000~1500℃ 的環境下，碳元素經過兩三百萬年的擠壓匯聚才形成鑽石，最後由火山活動帶到地表。

因此，只要根據碳相圖人為地創造相應的壓力和温度條件，就能合成出鑽石。

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，在鋼製厚壁罐體中引爆，產生 1000℃ 以上的高温和 30GPa 的超高壓，TNT 中的一部分碳原子就會聚合成 5~15nm 大小的鑽石，稱為金剛石粉。

金剛石粉無法直接用作珠寶，但可以通過高壓高温法制造大顆粒鑽石。

這是一台六面頂壓機，由三軸互成 90° 的六個頂錘以及裏面用於合成鑽石的生長艙組成。

生長艙外面是葉臘石，可以很好地傳導壓力。

裏面主要分兩層，上層是金剛石粉，下層是金屬觸媒，一般為鎳鐵，起催化作用，加快鑽石合成速度，底部有一塊不到 1mm 的天然或人造鑽石作為晶種。

啓動時，頂錘向內擠壓提供 5~6GPa 的高壓，通過導電使碳加熱棒升温，讓生長艙的温度達到到 1200℃ 以上，並在上下營造一個 20~50℃ 的温度差。

此時，金屬觸媒將熔融，金剛石粉則會溶解到金屬觸媒中變成遊離的碳原子，且高温區的碳原子濃度會比低温區高。

為了達到濃度平衡，高温區的碳原子就會向低温區擴散，不斷沉澱到晶種上。

經過一週就能收穫一顆約 5mm 的合成鑽石。

除了六面頂壓機，還有兩面以及分球式頂壓機可用於合成鑽石。

鑽石的大小可以用克拉衡量，1 克拉等於 0.2 克。

傳統高壓高温法合成的鑽石克拉數較小，而且金屬觸媒會在鑽石內留有殘渣，機器內極少量的氮元素還會混入鑽石中，讓鑽石呈現黃色。

根據鑽石的 4C 標準，這種鑽石通常處於中低端，甚至只能作為工業用途，拿來製造鑽頭、刀具、磨盤等。

相比之下，化學氣相沉澱法可以大幅改善這些缺陷。

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後。

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，沉澱結晶，能以每小時0.006mm 的速度生長，不出兩天，就會獲得一顆周圍包裹着石墨的鑽石。

這種方法合成的鑽石能達到高級天然鑽石的顏色和純淨度，克拉數也更高。

2017年，德國奧格斯堡大學合成出了一塊直徑 92mm、155 克拉的鑽石。

合成鑽石也是貨真價實的鑽石，成分、結構與天然鑽石完全相同。

兩者只能通過非常特殊的方式區分，比如在陰極發光儀下，前者的生長紋理呈幾何狀，而後者呈環帶狀。

從 2006 年開始，GIA 等珠寶機構開始提供鑑定服務併發放證書，主要為了防止商家用價格較低的合成鑽石冒充天然鑽石銷售。

2017 年，合成鑽石的平均售價只比天然鑽石便宜 10~20%，一年之後，這個差距已經拉開到 30~40% 。

而這個差距將越來越大，因為，中國人來了。

中國的工業級合成鑽石年產量佔世界份額 90% 以上，而且集中於河南省的三家公司。

但以豫金剛石為例，除了傳統的工業級金剛石，每年製造的無色寶石級鑽石也可達 200~300 萬克拉。

論技術實力，中國每年一千萬克拉的寶石級鑽石進口量很快就可以由河南一省來生產，不過，就看你願不願意買了。