人們早在18世紀就開始探索人造金剛石,但直到20世紀,由於熱力學和高溫高壓技術的發展,人造金剛石才得以實現。1953,瑞士工程公司(ASEA)首次成功合成40顆工業鉆石,美國通用電氣公司(GE)也在1955用壓帶裝置合成了小鉆石。
寶石級鉆石的生產工藝最早由美國通用電氣公司在1970年公布。他們用籽晶法在7天內生長出5 ~ 6mm的寶石級鉆石,晶體重量約為1ct。1988年,他們和發展中心鉆石研究組壹起,生產出了第壹批克拉大小的超級鉆石。到1992年,他們已經生產出導熱系數是天然鉆石兩倍、顆粒重量為3ct的超級合成鉆石。德比爾斯公司在20世紀70年代初開始合成金剛石。1987年生長的最大單晶重11.14ct,1990年生長出重14.3ct的大鉆石單晶。日本無機材料研究所、日本遊助電氣公司和西伯利亞科學院也開發了不同顏色的寶石級鉆石。1974年,我國用金屬薄膜法生長出優質金剛石大單晶,1985年首次用籽晶法獲得直徑3.2mm、重0.2ct的優質金剛石。目前寶石級的鉆石合成成本還是很高的,雖然有初步的商業化生產,但還是無法進行量產。2000年可加工鉆石僅合成3500ct,僅占當年天然寶石級鉆石產量的0.01%。
籽晶法生長金剛石的過程包括:①碳源(壹般為天然或合成的金剛石粉、石墨以及石墨和金剛石粉的混合物)溶解在葉蠟石反應室的高溫區,葉蠟石具有足夠的柔韌性來分散壓力,能耐高溫,在壓力下保持不溶。②碳在反應室中間的熔融金屬中輸送,金屬為鎳鐵合金或鐵鋁合金。③低溫區碳在籽晶上結晶。天然金剛石或生長的人造金剛石用作晶種。控制條件為溫度65438±0800℃,壓力70000bar,溫度梯度約為30 ~ 50℃。壹周能長5 ~ 6 mm左右。生長速度慢,並且需要反應室長時間保持壓力、溫度和溫度梯度的穩定,因此增加了工藝成本。人造金剛石裝置如圖10-1-7所示。
圖10-1-7金剛石合成裝置和反應室。
人造鉆石壹般為淺黃色、淺棕色和淺棕色,無色和有色的鉆石已被種植。晶體通常是立方體和八面體。晶面是平的,晶邊是直的。壹般顯微鏡下看不到內含物。有時可以看到種子、金屬片和交叉紋理。人造鉆石在長波紫外光下通常沒有熒光,在短波下往往會有黃色、綠黃色和橙黃色熒光。陰極發光在不同的生長區域顯示不同的熒光帶。