高温高压法合成宝石与鉴别

图W-12 沙漏状与马耳他十字
晶种触媒法合成钻石的鉴别
图W-8 合成钻石漏砂状纹理
图W-9 合成钻石树枝状纹理
晶种触媒法合成钻石的鉴别
钻石的人工合成
钻石的人工合成
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2011-12-8
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晶种触媒法合成钻石单晶
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晶种触媒法合成钻石单晶
• 晶种触媒发合成宝石级钻石的 工艺过程 1、合成宝石级钻石的关键因素 晶种、温度梯度、反应物纯净度 （不被污染） 2、工艺过程 碳源：光谱纯的石墨、钻石粉或石 墨与钻石粉 的混合。 触媒：镍铁（1:1） 晶种：放置在下端冷区，使{100}面 对金属触媒（接种面）。 条件：压力5.5*109Pa，温度 1300°C—1400°C。
温度（ 温度（°C） 压力 ） 压力(GPa) 1000—2000 2700 1500 5—10 12.5 6
触媒 金属或合金 无 金属
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合成钻石的方法及分类
二、动力法（动压法） 动力法（动压法）
1、爆炸法（工业常用）： 、爆炸法（工业常用）：此法最大的优点是便宜、投资少、单次产量高(可达 ）： 500 ct 左右) 。在最佳情况下, 每千克炸药能生产60 ct 钻石。 2、液中转变法：其特点是设备费用和维持费用较低, 能降低产品成本; 另外能连 、液中转变法： 续运转, 便于自动化连续生产。主要缺点是产量不高。 3、直接转变六方钻石法：以结晶良好的石墨为原料，对它的C轴给予强的压缩， 、直接转变六方钻石法： （13GPa,1000°C以上），直接转化为六方晶系钻石。
难度大；接触面小，转化率低 熔融态的触媒与石墨的接触面 很大，可产生大面积的转变。
降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。
触媒： 第八族的过渡元素（Ni,Go,Te等）、可与碳形成化合物的元素的合 金（Ti,Zr）、其它金属单质（Cu,Au等）和化合物（碳酸盐、氢氧 化物等）。促使石墨层扭曲，变成钻石结构。 触媒的作用： 溶剂——溶解碳； 催化剂——激发石墨向钻石转变。
适当温度下：晶面平整，晶棱平直。在钻石{111}面上 生长有三角形突起。 （三）合成钻石晶体的颜色 一般呈淡黄色（低温生长者色较深，高温生长者色 浅）。 “BARS”法合成的黄色系列，具有高饱和度及柔和色调。
20Hale Waihona Puke Baidu
晶种触媒法合成钻石的特征
（四）合成钻石晶体的内部特征和杂质分布
杂质分布与晶体生长速度有关。 杂质分布与晶体生长速度有关。 法未发现晶种，只可从基底看到晶种压制留下来的凹痕。 “BARS”法未发现晶种，只可从基底看到晶种压制留下来的凹痕。透 明度和净度高。 明度和净度高。 杂质：黄色——N；蓝色——B；N型半导体材料——P 杂质： 杂质分布的区域性。 杂质分布的区域性。
晶种触媒法合成钻石单晶
• 是指以石墨、钻石粉或石墨与钻石粉的混 合物为碳源，将其融化于金属触媒中，在 温度梯度的作用下，使熔化在触媒金属中 的碳输送到高压反应腔中温度较低的钻石 晶种上，以晶层的形式沉积于晶种上而长 大成钻石方法。 • 晶种触媒法合成钻石的原理及设备 • 晶种触媒法合成宝石级钻石的工艺过程 • “BARS”法合成钻石的设备及工艺
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晶种触媒法合成钻石的优缺点
• 优点 可控晶体生长中心的数目 避免由石墨转化为钻石的压力差 可使生长条件长时间稳定 • 缺点 生长时间长，成本高 对工艺条件要求高
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晶种触媒法合成钻石的特征
（一）合成钻石的晶型
一般为立方体与八面体的聚形 （右图） "BARS"法合成钻石晶体表现为八面体，或在晶形上有 轻微的歪曲，这是由“温度梯度”法合成钻石的标 志。
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钻石的合成方法及分类
钻石和石墨是碳的两种 同质多像的变体。根据 同质多像 钻石-石墨的相平衡图可 知，在常温常压下石墨 在常温常压下石墨 是碳的稳定结晶形式， 是碳的稳定结晶形式 钻石只有在高温高压下 才是最稳定的，在高温 才是最稳定的 高压（相图中钻石稳定 区的条件）下，石墨的 中的碳原子会重新按钻 石的结构排列，而形成 钻石。
• 19世纪3位有影响的科学家 J.B.汉纳、亨利·莫桑、查尔斯·帕森斯爵士 • 20世纪合成钻石的发展 1、1953年瑞士通用电气公司（ASEA）首次用铝热剂加热碳和 铁的混合粉末，在结构复杂的高压球中合成钻石。（小颗粒， 直径约0.5mm） 2、1955年美国通用电气公司（GE）在“压带”装置中用石墨— 叶腊石混合物合成了钻石。（小颗粒，直径0.15mm） 3、1988年GE公司合成首批克拉级超级钻石，1992的颗粒重量 达到了3克拉。 4、1988年戴比尔斯合成重11.14克拉的大钻石。1990年又合成 重14.02克拉的钻石。 5、1990年苏联合成了重1.5克拉不同颜色的宝石级钻石。 6、2000年，日本合成了8克拉的优质IIa型钻石单晶。 7、我国钻石的合成主要在中科院、吉林大学、河南理工大学等 地进行，合成钻石主要用于工业使用。
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合成宝石的方法及分类
三、亚稳定区域内生长钻石的方法（低压法） 亚稳定区域内生长钻石的方法（低压法） 1、气象法：此法生长速率慢、颗粒很细。 、气象法 2、液相外延生长法：美国曾提出用此法生长大钻石单晶。 、液相外延生长法 3、气液固相外延生长法：用这种方法得到的钻石, 其直 、气液固相外延生长法 径为10～50 mm, 长2 mm 的晶须和直径约0. 1 mm 的球状 钻石, 生长速率平均10 μm/ h( 微米/ 小时) , 最大可达100～ 400μm/ h。 4、常压高温合成法：生长的钻石为0. 1～0. 5 mm, 个别曾 、常压高温合成法 超过0. 5 mm。
图 W-1
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钻石-石墨相图
合成钻石的方法及分类
一、静压法
1、静压触媒法（工业常用）： 、静压触媒法（工业常用）：可得到磨料级钻石、大颗粒钻石单晶和聚晶。 ）： 2、静压直接转变法：得到的是微细钻石粉末。 、静压直接转变法 3、晶种触媒法：宝石级合成钻石的方法。 、晶种触媒法：
方法 静压触媒法 静压直接转变法 晶种触媒法
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晶种触媒法合成钻石单晶
合成钻石 的原理： 的原理：
利用金属 触媒使六 方结构的 石墨向立 方结构的 钻石转变。
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有无触媒条件比较： 有无触媒条件比较：
方法 温度 °C 无触媒 2700 有触媒 1200 压力1010Pa 比较
1.254
0.4—1
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晶种触媒法合成钻石单晶
• 合成钻石的设备 油压机：有两面、四面、六面砧压机。 油压机 是静态高压设备的核心部分，可将液压机的驱动力变成对 高压腔中被压物质的静态高压。 高压容器（合成腔）：是宝石合成的场所具有抗压、密封、 高压容器 保压、隔热、绝缘性能，并能提供合成腔体及均压区域。 加热系统、测试控制系统：良好的热稳定性及精确的测试 加热系统、测试控制系统 来控温控压。 • 传压介质叶蜡石 作用：传导压力，将施压磨具顶面压力传递到反应物体系， 并有效地压缩反应物；密封施压磨具；保温。 要求：叶蜡石密度均匀，各项性能一致。
高温高压法合成宝石与鉴别
• 钻石的人工合成 • 翡翠的人工合成
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钻石的人工合成
钻石的人工合成
• • • • • • • 钻石的沿革与发展 合成钻石的方法及分类 晶种触媒法合成钻石单晶 合成钻石的后处理 晶种触媒法合成钻石的优缺点 晶种触媒法合成钻石晶体的特征 合成钻石的鉴别
合成钻石的沿革与发展
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晶种触媒法合成钻石单晶
• 石墨向钻石转化的三个阶段： 石墨向钻石转化的三个阶段： 1、熔融金属和石墨相互渗透、扩散和溶解，形成 类似石墨结构的富碳扩散层。 2、石墨逐渐向熔融金属内扩散，在过渡金属和碳 原子的相互作用下，形成钻石的结晶基元。当有 晶体存在时，金属熔液又起了媒介作用，把钻石 结晶元输送到生长晶面附近。 3、聚集在生长晶面附近的钻石结晶基元在晶面上 叠合，进入晶格位，使钻石晶体不断长大。
晶种触媒法合成钻石的鉴别
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晶种触媒法合成钻石的鉴别
紫外荧光：合成钻石的长波紫外荧光弱于短波 长波紫外荧光弱于短波，而天然钻石的正好相反。 长波紫外荧光弱于短波 荧光分带图案：合成钻石在超短波紫外线下有特征的分带现象，称为“马尔他十 字分带”现象，天然钻石则显示年轮状荧光分布。 阴极发光：与紫外下荧光分带特征相似。
温度较低（ 温度较低（1300℃）时 ℃ 以立方体为主， 以立方体为主，温度较 高（1600℃）时以八面 ℃ 体为主
图 W-7 合成钻石晶型与生长温度的关系
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晶种触媒法合成钻石的特征
（二）合成钻石的表面特征
温度过低时：晶面的边缘常突出而中心凹陷，有时整 个成为凹面。
温度过高时：新生面将遭到溶解，由于边缘首先溶解， 温度过高时：新生面将遭到溶解，由于边缘首先溶解， 整个晶体变圆。 整个晶体变圆。
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晶种触媒法合成钻石单晶
• “BARS”法合成钻石 的设备及工艺 • 工艺条件： 压力 5.0-6.5GPa 温度 1350-1800°C 触媒 各种过渡金属 晶种 天然或合成钻石 碳源 石墨或钻石粉
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合成钻石的后处理
• 杂质 杂质：石墨、金属或合金、叶蜡石 • 原理 原理：钻石稳定性高，不与酸、碱等反应； 石墨易被强氧化剂氧化；金属或合金易与 酸反应或被电解；叶蜡石能与碱反应。 • 方法 方法： 清除金属或合金 硝酸浸泡法，王水处理法， 电解法等 清除石墨 硝酸-硫酸法，磁选法等 清除叶蜡石 碱除法