科学家和珠宝商的梦想——宝石级金刚石的商业化

【蜂耘网  新材料】科学家之所以想用人工的方法制造金刚石，理由非常简单，那就是天然金刚石的来源非常有限，而且开采十分困难。天然金刚石矿藏的金刚石含量很低，即使蕴藏丰富的所谓“富矿”，其中金刚石含量也仅仅是百万分之一到千万分之一，换句话说，要开采处理数吨重的矿石，才能获得1克拉金刚石。不仅如此，开采出来的大部分金刚石因为粒径小、颜色暗和纯度低，仅能作为工业用。

 

       世界五大天然金刚石生产国中，澳大利亚与刚果的天然金刚石产量很大，但宝石级金刚石只占5%左右，准宝石级的占30%～40%。金刚石在世界上产出稀少，大的宝石级金刚石晶体极为罕见。经大量搜集资料，广泛调研分析，对比统计，目前已知世界上大于100克拉的金刚石约2000颗，其中大于200克拉的约300颗，大于500克拉的约30颗，大于700克拉的约有12颗。

 

       金刚石是集许多优异特性于一体的极限性功能材料，但天然金刚石和人造金刚石本身所含的氮杂质或金属包裹体等缺陷不可避免的对其性质有一定的负面影响，要让金刚石发挥最突出的性能，高纯度、大尺寸优质金刚石单晶的发展是拓宽金刚石应用的重要途径。人造大颗粒金刚石作为宝石在市场上逐渐被人们所接受。国际市场对优质大颗粒金刚石的需求与日俱增。因此，在中国有必要加大开展宝石级金刚石的研发工作。

 

      01 国内外现状

 

       自1971年GE公司开发出温度差法生长宝石级金刚石以来。宝石级金刚石的生长技术在国外已趋成熟，并实现了商业化。

 

       静态高压法生长宝石级金刚石的基本方法是：作为溶剂的金属触媒处于金刚石碳素源与金刚石籽晶之间，碳素源处于高温端，籽晶处于低温端，由于高温端的金刚石的溶解度大于低端的溶解度，由温度差所产生的溶解度差则成为碳素由高温端向低温端扩散的驱动力，碳素在籽晶处析出实现金刚石晶体的长大。由于晶体生长的驱动力是由温度差所致，因此，也将该法称为温度差法。

 

       1985年日本的住友电气公司将优质Ib型金刚石单晶的生长速度提高到4mg/h，实现了1克拉优质金刚石单晶的批量化生产。1990年，用大晶种方法生长出9克拉(12mm左右)金刚石大单晶，生长速度提高到15mg/h。1996年，又将优质IIa型金刚石单晶的生长速度提高到3mg/h。2000年，生长速度提高到6.8mg/h，合成出8.0克拉(10mm左右)优质IIa型金刚石单晶。

 

       1996年，De Beers用1000小时合成出25克拉的优质Ib型金刚石单晶，代表了当今宝石级金刚石的培育最高技术水平。

 

       吉林大学超硬材料国家重点实验室，贾晓鹏教授及其博士生的研发团队，自1999年起在国产铰链式六面顶压机上开始系统地开展宝石级金刚石单晶生长技术的研究，并于2002年生长出4.5mmIb型金刚石单晶，2005年生长出4mmIIa型宝石级金刚石。

 

并认为，宝石级金刚石生长的关键技术是：

   

1 、稳定性问题;

 

2、 扩散场的调整;

 

3、触媒的配比原则;

 

4 、晶型的可控设计;

 

5 、氮、硼元素在金刚石内的可控掺杂等。

    

在上述关键技术解决的基础上，该实验室已成功生长出了Ib型、IIa型、IIb型以及高氮型宝石级金刚石单晶，能够批量化生长2～3mmIb型宝石级金刚石;通过控制晶型已分别生长出4mm板状和3mm塔状Ib型金刚石单晶;生长出尺寸达7mm的Ib型宝石级金刚石大单晶。在II型金刚石方面，首先选择合适的除氮剂，并选择适当的添加量，通过调整组装、调节生长速度生长出尺寸达4.3mm无色透明的优质IIa型金刚石单晶，在此基础上添加了硼生长出最大尺寸4mm的蓝色IIa型宝石级金刚石，使我国成为独立地拥有宝石级金刚石生长技术的少数国家之一[01]。

 

[01]贾晓鹏，宝石级金刚石大单晶的高温高压合成与研究进展[C]中国超硬材料发展论坛论文集，2008，6：19～23

用金属薄膜法生长毫米级金刚石是人造金刚石晶体生长技术中难度很大的课题。1967年以来，三磨所、上海砂轮厂、人工晶体研究所、上海硅酸盐研究所对这个项目都给予了很大重视。

 

       1974年上海硅酸盐研究所采用上述方法得到2.7mm完整单晶。1977年又得到3～4mm单晶。

 

      三磨所也是用上述方法，在广州砂轮厂单压源紧装式六面砧超高压高温装置上和该所DS-027型铰链式六面砧超高压高温装置上进行了类似的试验，结果表明，在单压源六面砧超高压高温装置上合成的成功率达70%～80%，而在铰链式六面砧超高压高温装置上合成的成功率只有30%～40%，表明超高压高温压机的同步、对中和保温性能对合成的成功率影响很大。

 

       1982年以来，上海硅酸盐研究所的科研工作者用晶种法生长数十颗优质金刚石大单晶，其中一颗边长为3.1mm(对角线长度为3.4mm)，重约31.2mg。这些基本上代表着我国上个世纪七八十年代毫米级金刚石单晶的实验研究技术水平。

 

       目前，我国中南钻石有限公司和黄河旋风股份有限公司，在静态高压高温条件下已能生产4mm以下的金刚石大单晶。它们代表了国内现阶段的最高水平。据悉，黄河旋风股份有限公司技术中心已经培育出8mm的宝石级大单晶金刚石。这标志着我国的宝石级大单晶金刚石的生长水平与国外的差距正在缩小。

 

       中南钻石有限公司单晶金刚石发展进程如下所述：

 

2005年初开始试制30/35粒度，同年8月批量生产。

 

2005年8月开始试制25/30粒度，2006年初开始生产。

 

2006年初到2007年开始试制20/25、18/20、16/18系列粗颗粒金刚石，其中20/25粒度于2007年底开始批量生产。

 

2008年开始试验合成1～2mm单晶金刚石，同年18/20粒度开始批量生产。

 

2009～2011年试验合成2～3mm单晶金刚石。16/20粒度于2010年初开始批量生产。

 

1.4～2.2mm修整工具用的单晶金刚石，于2011年初试制成功，于2012年初开始大批量生产。

 

2012年初2.2～3.6mm单晶金刚石试制成功，并小批量生产。

 

2012年至今试制3.6mm以上克拉级单晶金刚石。

 

2011年12月24日由省科技厅组织对黄河旋风河南杰出人才基金《1～10mm大单晶金刚石合成》通过结题验收。通过触媒成分改变达到对金刚石色调和饱和度的调整等7项创新，成功合成出1～2mm黄色单晶，合成出了边长达10mm(重6.03ct)的黄色大单晶金刚石和6mm的蓝色和无色大单晶金刚石。

 

 

山东昌润钻石股份有限公司近年3-5mm级的单晶大颗粒金刚石发展也很快，晶体完整、金黄色、透明度高，已经有4-5台压机成年批量生产，产品全部销往韩国。

 

02 影响晶体生长因素研究及得到的规律

 

       (一) 触媒粘性对克拉级Ib型单晶生长的影响

 

       2011年肖宏宇等报道，他们在SPD-1200型饺链式六面顶压机上，在5.6GPa，1250～1350℃的条件下，考察了触媒粘性对单晶生长的影响。 研究中将纯度为99.9%的高纯石墨粉放在高温端作为碳源，在晶体生长之前石墨已经转化为金刚石。将0.6mm的优质｛100｝晶向磨料级金刚石放置在低温端作为籽晶。中间放有触媒合金作为溶剂/触媒。

 

       为了考察触媒粘性对克拉级Ib型金刚石单晶生长的影响，研究中选择了两种粘性不同的Ni基合金作为触媒(Ni为合金主要成分，通过添加粘性不同的其它金属元素改变触媒粘性)：一种是粘性较低的Ni-a触媒; 另一种是粘性较高的Ni-b触媒。

 

       采用粘性较低的Ni-a触媒进行大单晶的生长实验。结果表明，当晶体的生长时间低于20h时，可以合成出具有完好品质的优质Ib型金刚石单晶;当生长时间延长到25h时，在晶体表面常常发现有“凹坑”，随着时间的继续增加，生长的晶体为“群晶”，无法生长出“单晶”金刚石。

 

       其它条件不变，选择粘性较高的Ni-b触媒大单晶的生长实验，结果表明，高粘性触媒的采用，避免了金属包裹体、表面缺陷和“群晶”的出现，可以生长出高品级的优质克拉级I-b型金刚石。

 

       为什么出现上述现象呢？正是由于低粘性触媒中的对流较强，碳素析出较快所造成的，因此不适宜生长优质克拉级金刚石单晶;而高粘性触媒中的对流相对较弱，碳素的析出速度适中，可以用来生长优质克拉级金刚石单晶[02]。

 

 [02] 肖宏宇，秦玉琨等，触媒粘性对生长优质克拉级I-b型金刚石单晶的粉影响[C]2011年中国(郑州)国际磨料磨具磨削技术发展论坛超硬材料论坛论文集，2011，11：30～34

       

(二)马红安，贾晓鹏等采用不同粒度籽晶生长所得到的晶体可以看出，随着籽晶粒度的增加，晶体生长品质变得越来越差，当籽晶粒度为1.8mm时，籽晶中心位置出现较多包裹体，当籽晶粒度超过2.0mm后，晶体里面出现大量包裹体，而且籽晶上生长表面无法完全愈合，晶体品质极度劣化。可见，碳源在触媒中的扩散不均一性对晶体品质有较大影响，尤其是对采用大籽晶法快速生长优质宝石级金刚石单晶时影响将更加明显[03]。

 [03]马红安，贾晓鹏等，碳源扩散不均一性对宝石级金刚石单晶生长的影响[J]超硬材料工程，2008，1：11～14

 

(三) Zang Chuan-Yi，JIA Xiao Peng，etal采用多晶种法合成宝石级金刚石单晶时，生长速度的控制直接决定着晶体品质[04]，通常在生长初期单晶的平均增重速度不能超过0.5mg/h，晶体的生长速度越快，生长优质晶体的区间越窄，生长速度越慢，生长优质晶体的区间越宽。通过控制晶体径向平铺速度与纵向的堆叠速度的关系，使得晶体径向生长速度尽可能大于纵向生长速度，可以明显抑制包裹体的形成，能够大幅度提高优质晶体的生长速度。在8h内优质晶体的平均生长速度可以达到1.2mg/h，晶体尺寸为2mm左右。

 

[04] Zang Chuan-Yi，JIA Xiao Peng，etal.,Dependence of GrowingHigh-Quality Gen diamonds on GrowthRates by Temperture Gradient Mahod[J].Chinese Physics Letters，2004，21(8)：1648～1650 (四) 贾晓鹏，为了降低晶体附近碳化物的浓度，减小对生长晶体的影响，Ti比较合适作为除氮剂来生长IIa型金刚石单晶。同时为了进一步的降低碳化钛的浓度，需在腔体内加入一定含量的Cu。Cu在熔融的触媒中起到降低或分解碳化钛的作用。

 

 

表1列出了Ti对金刚石合成的影响。实验显示，当钛的添加量为1wt%时，晶体呈无色透明;当Ti的添加量超过2.6wt%时，则很难合成出晶形完整的晶体。

     

 (五) 为了避免包裹体等杂质的进入，生长Ib型金刚石单晶的初期生长速度一般在1.5mg/h以下。但是以同样的生长速度生长IIa型金刚石单晶时，将出现晶体内部大量的包裹体和晶体表面熔坑现象。当钛的含量在1.5wt%以内时，为了避免晶体表面熔坑的出现，IIa型金刚石单晶的初期生长速度应控制在0.4mg/h以内[05]。

 

 [05]贾晓鹏，优质IIa型宝石级金刚石的合成技术[J]金刚石与磨料磨具工程，2005，3：8～11

 

       (六)李尚升，马红安等，以不同掺铝量进行大单晶生长实验;掺铝量从2wt%渐增至5wt%，温度为1220℃，温度梯度为30℃/mm，生长时间均为3小时，晶体生长速度在0.8mg/h左右。

 

        实验结果表明，随着掺Al量的增加，金刚石晶体颜色逐渐变浅，即晶体中氮含量减少。然而，当Al含量增至4wt%时，顶部﹛100﹜面出现熔坑；5wt%时顶部周围四个﹛111﹜面也有熔坑，这与H.Sumiya等的研究结果一致，即除氮剂加入越多，晶体越易俘获金属包裹体从而形成熔坑[06]。

 

 [06]李尚升，马红安等，铝对生长Iia型宝石级金刚石的影响[C]中国超硬材料技术发展论坛论文集，2005，10：71～73

 

（蜂耘新材料网   责任编辑：九言）