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    什么是高溫高壓法(HPHT)生長培育鉆石

    不知道你是否聽過生命鉆石、紀念鉆石亦或是聽起來有點嚇人的骨灰鉆石?先別害怕,因為鉆石是純碳素構成的物質,而頭發或骨骼里面含有大量的碳元素,因此科學家從人或動物的毛發、骨骼,提取出其中的碳元素,通過高溫高壓(HPHT)法,培育出這種帶有特殊紀念意義的培育鉆石。


    高溫高壓(HPHT)怎么“長”鉆石?

    HPHT,全稱為High Pressure High Temperature,也就是高溫高壓。先明確一點的是,HPHT這個術語在鉆石中有HPHT培育鉆石(HPHT lab-grown diamond)和HPHT改色處理(HPHT treated processed)兩個概念,比如褐色鉆石通過HPHT改色處理可以變成黃色或者無色鉆石。

    而高溫高壓法(HPHT)與化學氣相沉積法(CVD)(下期介紹CVD,敬請期待)是目前工業大規模生產中最常用的兩種生長方法。

    根據《合成鉆石鑒定與分級》團體標準(Q/NGTC-J-SZ-0001—2019)的定義:高溫高壓法合成鉆石是指模擬天然金剛石的生長環境,以石墨、金剛石粉或石墨-金剛石粉為碳源,在高溫高壓、金屬觸媒等生長環境中形成的等軸晶系晶質體,簡稱為HPHT合成鉆石,或HPHT培育鉆石。

    具體來講,其生長過程就是在頂壓機生長艙高溫區放入高純度的石墨等作為碳源,在低溫區放置天然或培育鉆石籽晶。在一定溫度梯度驅動下,碳素將從高溫處的高濃度區向低溫處的低濃度區擴散,并在低溫籽晶處于過飽和而結晶,通過籽晶,就像種子一樣一點點“發芽長大”?所以這種方法也叫晶種溫度梯度法。

    高溫高壓(其壓力一般為10-20GPa,溫度一般在1400-1700℃)可以直接使石墨轉變成鉆石,但由于在生長過程中需要非常高的溫度和壓力,技術難度很大,所以目前工業化生長過程中,都會加入金屬觸媒(如Fe、Ni、Mn、Co等及其合金),作為催化劑(或助熔劑),可以降低生長溫度和壓力,改善反應條件,加快反應速度(通常壓力在5-6GPa,溫度為1300-1600℃)。

    一般十幾個小時后,HPHT培育鉆石就生長完成。不過這時候的鉆石表面會被碳素和金屬觸媒包裹,需要通過酸洗溶液(由90%的濃硫酸和10%濃硝酸調配而成)將這些雜質去除。經酸洗去除雜質后鉆石原石表面會留下HPHT培育鉆石特有的“生長痕跡”。

    中國可以“長”鉆石嗎?


    HPHT法歷史最早可以追溯到1953年,瑞典一家名為ASEA的電氣公司成功合成出了金剛石微晶。

    1954年,美國通用電氣公司(簡稱GE公司)將石墨與金屬觸媒混合,在1300-1500K和6-8GPa下成功制備出金剛石,1955年獲得專利權?

    1957年,GE公司通過實驗研究證明,若加入氧化硼?氮化鋰等金屬觸媒,可降低合成壓力和溫度至4-7GPa和1200℃-1700℃。[5]

    俄羅斯在1967年也掌握了合成工業級鉆石晶體技術。

    中國在1964年使用200噸級的兩面頂壓機,首次成功合成人造鉆石。

    1965年,中國成功研發六面頂壓機。此后這種設備成為了我國超硬材料合成的主導設備。相較于國外發達國家主要使用的兩面頂壓機來說,我國自主研發的六面頂壓機具有升壓、卸壓速度快,良品率高、可操作性強的優越性。單臺設備生產周期僅需24-32小時。
    中國六面頂壓機的卓越性能吸引了眾多國家和企業青睞,美國US SYNTHETIC公司、TRIBOCOL(特博克)公司、戴比爾斯旗下ELEMENT SIX公司,俄羅斯的新鉆科技公司,日本住友電工、昭和電工,韓國ILJIN公司、ADICO公司,伊朗、印度等都購買了中國產的大型六面頂壓機。[6]

    中國不光能“長”鉆石,目前還是高溫高壓法合成金剛石的第一大生產國,合成金剛石產量連續18年穩居世界第一,寶石級合成金剛石——培育鉆石的生產也一直處于世界前列,生產制造技術與能力在國際產業發展中起到不可忽視的作用。

    高溫高壓技術能“長”多大的鉆石?

    高溫高壓合成金剛石技術起源于上世紀50年代,最初主要應用于航空和軍工,在最近十年間才實現了技術上質的飛躍,寶石級別的合成鉆石在品質和成本上達到了可市場化的水平。

    1971年,GE公司采用晶種溫度梯度法首次合成出5mm(約1ct)寶石級黃色單晶金剛石?

    1990年,DeBeers合成出11.14ct的寶石級金剛石,1996年又合成出最長16mm(25ct)的寶石級金剛石?

    2001年,美國Gemesis公司利用BARS壓機成功合成出黃色寶石級金剛石,3天半就能生長2.8ct,并于2003年成功將切磨后的黃色寶石級鉆石推向市場。

    2001年,日本住友公司用大晶種法生長出10mm(7-8ct)的寶石級金剛石,大幅提高了晶體生長速度,并且顯著降低晶體缺陷。

    2002年,吉林大學首先采用國產六面頂壓機技術合成出4.5mm黃色金剛石單晶體。成為繼美國,日本,英國,俄羅斯后,擁有自主自發HPHT寶石級金剛石技術的國家?目前,國內鄭州華晶金剛石股份有限公司、中南鉆石有限公司、河南黃河旋風股份有限公司等大型人工金剛石企業均已成功研發生產出大顆粒培育鉆石。

    2015年,俄羅斯New Diamond Technology (簡稱NDT)公司用中國六面頂壓機生產出重量高達32.26ct,當時最大的無色高溫高壓原石。

    切磨后的成品最大10.02ct E/VS1,大部分為1-3ct,D-F顏色,IF-VVS凈度?

    同年,NDT又成功培育出當時最大的HPHT藍色培育鉆石,切割成品重量達到5.03ct。

    2018年,NDT鉆石生長技術得到進一步突破,成功培育出重達 55.94ct 的亮黃色單晶原石。切割后的成品鉆石重達 20.22ct。
    2019年,國內豫西集團中南鉆石公司已掌握了20ct以內大尺寸高溫高壓培育鉆石單晶合成技術,掌握了黃色、藍色、綠色、紫-紅色等彩色培育鉆石生產技術。

    2020年4月,河南省力量鉆石股份有限公司突破掌握 5ct 白色培育鉆石生長技術。

    目前,中國批量生產HPHT培育鉆石技術已達到世界前列水平。據報道,2018年中國寶石級培育鉆石產量達到130萬克拉,產量占據全球總量的90%以上,已經成為全球培育鉆石最大的原料生產國[9]。新華社撰文評價,“中國制造”有望重塑全球鉆石格局。





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