高温高压法合成宝石与鉴别

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；
12.5
无
晶种触媒法
1500
6
金属
6
合成钻石的方法及分类
二、动力法（动压法）
1、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 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， （13GPa,1000°C以上），直接转化为六方晶系钻石。
• 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。
2020/6/13
晶种触媒法合成钻石单晶
2020/6/13
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）
催化剂——激发石墨向钻石转变。
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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： 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
• 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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钻石的合成方法及分类
图 W-1 钻石-石墨相图
钻石和石墨是碳的两种
同质多像的变体。根据 钻石-石墨的相平衡图可 知，在常温常压下石墨 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 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。
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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） 1、气象法：此法生长速率慢、颗粒很细。 2、液相外延生长法：美国曾提出用此法生长大钻石单晶。 3、气液固相外延生长法：用这种方法得到的钻石, 其直 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 超过0. 5 mm。
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。
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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
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合成钻石的方法及分类
一、静压法
1、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。
3、晶种触媒法：宝石级合成钻石的方法。
方法 静压触媒法
温度（°C） 压力(GPa) 触媒
1000—2000 5—10
金属或合金
静压直接转变法 2700
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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。 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、 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 来控温控压。
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晶种触媒法合成钻石单晶
合成钻石 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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晶种触媒法合成钻石单晶
有无触媒条件比较：
方法 温度 压力1010Pa 比较 °C
无触媒 2700 1.254
难度大；接触面小，转化率低
有触媒 1200 0.4—1
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