國(guó)際人造金剛石行業(yè)近期發(fā)展態(tài)勢(shì)(下)①

談耀麟

(中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林 541004)

國(guó)際人造金剛石行業(yè)近期發(fā)展態(tài)勢(shì)(下)①

談耀麟

(中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林 541004)

人造金剛石的應(yīng)用從最初的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展到寶石級(jí)人造金剛石用于珠寶行業(yè)然后又發(fā)展到紀(jì)念品鉆石服務(wù)于喪事家庭和特殊禮品等。文章闡述了工業(yè)用人造金剛石、寶石級(jí)人造金剛石與紀(jì)念品鉆石的最新進(jìn)展以及工業(yè)用人造金剛石在高科技與各工業(yè)部門的最新應(yīng)用。全面反映國(guó)際工業(yè)用人造金剛石、寶石級(jí)人造金剛石和紀(jì)念品鉆石技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展水平以及人造金剛石的未來發(fā)展趨勢(shì)。此外,對(duì)國(guó)際上主要的工業(yè)用人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)以及寶石級(jí)人造金剛石與紀(jì)念品鉆石生產(chǎn)廠家的發(fā)展作簡(jiǎn)單介紹。

人造金剛石;寶石級(jí);紀(jì)念品鉆石;應(yīng)用領(lǐng)域;技術(shù)發(fā)展水平;發(fā)展趨勢(shì);生產(chǎn)企業(yè)

3.4 新星技術(shù)公司(Novatek Ine)

上世紀(jì)中葉,H.Tracy Hall博士在通用電氣公司工作時(shí)發(fā)明了兩面頂壓機(jī)。1954年用它合成出世界上第一顆人造金剛石。1955年他創(chuàng)建了Novatek公司。這是一家研究型的人造金剛石企業(yè),旨在研究解決有關(guān)人造金剛石的重大疑難問題。目前已擁有631項(xiàng)專利。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的營(yíng)業(yè)額達(dá)到10億美元。業(yè)務(wù)范圍涵蓋石油天然氣勘探用高效長(zhǎng)壽鉆頭研制;油氣田大型鉆探裝備研制;油氣井鉆頭用聚晶金剛石復(fù)合塊的生產(chǎn)以及尖端科技研究過程中的測(cè)試與驗(yàn)證等。

在合成人造金剛石用的設(shè)備方面,該公司進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究工作。最初用于工業(yè)化生產(chǎn)人造金剛石的兩面頂壓機(jī)噸位只有0.02千噸。由于合成腔的容積小,只能生產(chǎn)出強(qiáng)度低而顆粒小的人造金剛石。1957年Tracy Hall研制出新的兩面頂壓機(jī),噸位提高到0.3千噸,合成工藝所需保壓時(shí)間大為降低,并首次采用了頂錘自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu),不過合成腔容積仍然有限。1966年,研制出拉桿式機(jī)架六面頂壓機(jī),合成腔容積增大,保壓時(shí)間大為減少,相當(dāng)于兩面頂壓機(jī)所需保壓時(shí)間的1/20。第一臺(tái)六面頂壓機(jī)樣機(jī)的噸位為0.2千噸,而投入生產(chǎn)的六面頂壓機(jī)的噸位提高到1.2千噸,首次用于工業(yè)化生產(chǎn)聚晶金剛石。

2.4.1 第五代新型大壓機(jī)

1999年由Dassid Hall與Tracy Hall Jr共同研制成功整體立方機(jī)架六面頂壓機(jī)。據(jù)稱這是幾十年來壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一次大躍進(jìn),其特點(diǎn)是取消了以往壓機(jī)設(shè)計(jì)中借以承擔(dān)壓力缸反作用力的拉桿。采用整體立方機(jī)架,壓機(jī)噸位可提高到四千噸。

所謂整體立方機(jī)架實(shí)為一巨形正六面體,邊長(zhǎng)為49.5寸,重達(dá)7.25噸,需用重達(dá)11噸各邊長(zhǎng)為80寸的粗錠加工而成。據(jù)說全球能鍛造如此大的工具合金鋼工件的鍛造廠屈指可數(shù)。

碳化鎢硬合金頂錘與活塞和油缸等組裝成筒式單獨(dú)的部件,重量超過3噸,用超強(qiáng)錐形細(xì)紋與整體立方機(jī)架連接。這種連接方式有利于減少應(yīng)力而提高壓機(jī)的噸位。每個(gè)頂錘可產(chǎn)生3500萬牛頓力。

合成腔容積達(dá)到283cm3,比第四代的拉桿式機(jī)架六面頂壓機(jī)大30%。腔內(nèi)溫度可高達(dá)2300℃,壓力7500MPa,超過地殼深處天然金剛石的形成條件。

這種整體立方機(jī)架六面頂壓機(jī)總重約29.5噸。目前Nouatk公司擁有4臺(tái)在用,2臺(tái)正在組裝,另2臺(tái)正在制造中,該公司除使用這種壓機(jī)大批量生產(chǎn)油氣井鉆頭用的大尺寸聚晶金剛石復(fù)合塊之外,還用于從事研究工作,這些工作包括各種幾何形狀的不同物理化學(xué)性能聚晶金剛石復(fù)合塊的研究、寶石級(jí)金剛石以及其它超硬材料的研究、醫(yī)用人體植入材料的研究等。

2.4.2 油氣井鉆頭新型聚晶金剛石刀頭

在油氣鉆探工程中為了提高鉆進(jìn)速度,提高鉆頭使用壽命,曾試用過多種超硬材料和鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),也提出過各種鉆碎巖層的理論。上世紀(jì)70年代中期聚晶金剛石復(fù)合塊刀頭問世之后,在某些應(yīng)用場(chǎng)合聚晶金剛石刮刀鉆頭就漸漸取代了牙輪鉆頭。牙輪鉆頭是以壓碎方式鉆進(jìn)巖層,而刮刀鉆頭則是以剪切方式鉆進(jìn)巖層,所以在較軟的巖層中鉆進(jìn)可提高鉆井速度。然而在深層地?zé)徙@探中,或在某些硬度和研磨性較大的巖層中鉆進(jìn),聚晶金剛石刮刀鉆頭的鉆進(jìn)性能就不如牙輪鉆頭,為此Noratek公司研制出新型的聚晶金剛石復(fù)合塊(Stinger PDC)刀頭,其金剛石工作層厚度加大,硬度提高,而且具有特定形狀,制成刀頭密集式鉆頭,鉆進(jìn)時(shí)以壓碎和剪切相結(jié)合的方式破碎巖層,從而提高了鉆進(jìn)速度。

這種新型聚晶金剛石復(fù)合塊刀頭是用第五代超大型壓機(jī)生產(chǎn)出來的。因?yàn)檫@種壓機(jī)的合成腔容積較大,而且生產(chǎn)過程的壓力和溫度都可達(dá)到很高。實(shí)踐證明,Stinger PDC的耐磨性和耐熱性遠(yuǎn)大于普通PDC,因而制成鉆頭在堅(jiān)硬巖層或較深的地?zé)徙@井中鉆進(jìn)都可獲得高效長(zhǎng)壽的結(jié)果。

2.5 應(yīng)用金剛石公司(Applied Diamond Inc)

該公司專門從事CVD金剛石膜的生產(chǎn),厚度范圍從50nm到2nm,應(yīng)用于光學(xué)、熱學(xué)、微波與耐磨零件等。

該公司發(fā)現(xiàn)有些金剛石用作激光二極管的散熱片時(shí),不能在較寬的范圍內(nèi)保持脈沖的穩(wěn)定性,由于熱脈沖衰落在脈沖結(jié)束時(shí)產(chǎn)生光功率損失,為此該公司通過改變CVD金剛石的生長(zhǎng)速度和金屬化的程度生產(chǎn)出具有不同導(dǎo)熱率的金屬化CVD金剛石散熱片,其導(dǎo)熱率分別為700W/m K,1000W/m K和1800W/m K,而以前在激光器件中使用的AIN(氮化鋁)散熱片的導(dǎo)熱率還不到100W/m K。

該公司生產(chǎn)的聚晶質(zhì)和單晶質(zhì)CVD金剛石膜的應(yīng)用范圍包括剝離箔、束流診斷和定位技術(shù)、高能物理研究用的粒子偵測(cè)器,同步輻射窗口等。

2.6 先進(jìn)金剛石解式公司(Advanced Diamond Solutions Inc;ADS)

該公司成立于2003年,為能源、軍工、半導(dǎo)體和磨料等行業(yè)研制新型金剛石和類金剛石材料以及類金剛石碳/非晶金剛石熱電和光電產(chǎn)品;化學(xué)汽相沉積和物理汽相沉積鍍層材料;金剛石復(fù)合材料熱控產(chǎn)品;氮化鋯和其它類金剛石陶瓷材料;cBN和金剛石磨料;納米金剛石生物技術(shù)產(chǎn)品;發(fā)光二極管和其它照明光源;高壓傳感器;寶石級(jí)金剛石產(chǎn)品等。重點(diǎn)產(chǎn)品有下列幾種。

2.6.1 大面積石墨烯片

它是單電子晶體管、場(chǎng)致(靜電)發(fā)射源、電極式照明設(shè)備、嵌入柔性材料中的太陽能電池、利樂赫茲表面聲波濾波器、墻紙顯示器、紫外光發(fā)光二極管、原子氣體傳感器等的理想材料。

2.6.2 用于高亮度發(fā)光二極管的類金剛石碳印刷電路板

類金剛石碳膜用于印刷電路是一項(xiàng)革新技術(shù),是下一代高亮度發(fā)光二極管的重要元件。類金剛石碳是一種高性能導(dǎo)熱材料,所以類金剛石碳膜印刷電路板的散熱性能比普通金屬基印刷電路板的高得多。

2.6.3 新型太陽能電池

在熱設(shè)計(jì)或熱管理產(chǎn)品中采用金剛石復(fù)合材料如金剛石金屬或金剛石-陶瓷復(fù)合材料比純金剛石的成本要低得多。

該公司研制的熱離子太陽能電池采用的是非晶金剛石納米結(jié)構(gòu)材料。這種非晶金剛石太陽能電池的效率可提高50%,而成本不到普通硅太陽能電池的一半。

2.7 先進(jìn)金剛石技術(shù)公司(Aduanced Diamond Technologies;ADT)

該公司以生產(chǎn)系列高性能超納米結(jié)晶金剛石(UNCD)著稱,因而獲得了2014年在芝加哥舉行的新型金剛石與納米碳大會(huì)(NDNC 2014 Conference)的主辦權(quán)。在人造金剛石應(yīng)用方面的最新技術(shù)如下:

2.7.1 排除血檢

在人工心臟中采用UNCD可降低引發(fā)血栓的風(fēng)險(xiǎn),患者可減少或無需服用血液稀釋藥物,從而提高了安全性。

2.7.2 金剛石微電子機(jī)械生物傳感器

用于實(shí)時(shí)測(cè)知化學(xué)物或微生物的危害。該公司受美國(guó)國(guó)防部防汛署撥款研制金剛石微電子機(jī)械生物傳感器(Diamoncl Mems Biosensor)用于檢測(cè)水體中對(duì)人體有害的化學(xué)危險(xiǎn)品或致病的微生物如大腸桿菌以保護(hù)士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的安全?，F(xiàn)有的傳感器只能在大氣中使用,在水中的使用則壽命很短。

2.7.3 拋光墊修整器與3D金剛石制品

該公司用人造金剛石制造出下一代拋光墊修整器(CMP pad conditioner)與3D金剛石制品獲得成功。這種金剛石盤式修整器用于化學(xué)機(jī)械拋光墊的修整可保持其表面的紋理,從而提高生產(chǎn)率,降低成本。

化學(xué)機(jī)械拋光可使工件表面形成超光潔度表面,最廣泛的用途是在集成電路和超大規(guī)模集成電路中對(duì)基體材料硅晶片的拋光。

2.7.4 金剛石射頻微機(jī)電系統(tǒng)

目前汽車無線通訊設(shè)備越來越要求更高的頻率(3G,4G)和更長(zhǎng)壽命的電池。為此,該公司與MEMtronics公司合作研制出壓電金剛石射頻微機(jī)電系統(tǒng)(DIAMOND RF MEMS)濾波器。

2.7.5 提高機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)零件可靠性

利用UNCD的優(yōu)異性能可提高機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)零件如流體動(dòng)力軸承與流體機(jī)械密封裝置等的可靠性與能量效率。

2.7.6 污水處理

隨著人口的快速增長(zhǎng),人類賴以生存的水資源越來越緊缺,污水處理技術(shù)備受關(guān)注。該公司利用UNCD非凡的電化學(xué)特性、化學(xué)惰性和耐磨性制成UNCD鍍覆鈮電極,與電解原理相結(jié)合研制出Diamonox電解裝置(Diamonox Cell),可超越常規(guī)的污水處理技術(shù)用于解決重大污水處理問題。

2.8 摩根技術(shù)陶瓷公司(Morgan Technical Ceramics)

是一家資本雄厚的澳大利亞超硬材料生產(chǎn)企業(yè),以生產(chǎn)類金剛石碳膜著稱,產(chǎn)品已被應(yīng)用于延長(zhǎng)航空航天器零部件的使用壽命,其特點(diǎn)是提高了零件的硬度、耐磨性和抗化學(xué)腐蝕性,可鍍覆于金屬、陶瓷、塑料、玻璃等材料上,鍍覆溫度不超過150℃。

其它超硬材料產(chǎn)品還有CVD金剛石膜、CVD碳化硅、氮化鋁、氧化鋯、氧化鋯增韌氧化鋁、以及氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等,應(yīng)用于極端條件如高溫、高壓、極冷、高真空、高腐蝕性、高頻以及高度密封等。

3 寶石級(jí)人造金剛石發(fā)展?fàn)顩r

人造金剛石在工業(yè)上應(yīng)用了30年才逐漸成為寶石商品進(jìn)入珠寶市場(chǎng)。據(jù)估計(jì),全球人造金剛石產(chǎn)量中可流入珠寶市場(chǎng)的,每年約幾十萬克拉,只占全球15000萬克拉天然鉆石的10%。

寶石級(jí)人造金剛石不單單是指其粒度的大小。無論是HPHT法抑或CVD法生產(chǎn)的具有一定粒度的、結(jié)晶完美無瑕、無色或帶色的晶體均可作為寶石級(jí)金剛石。

2013年維基百科列出國(guó)際知名的寶石級(jí)人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)有11家。其中Gemesis、Apollo Diamonds、Chatham和New Age Diamonds被“新鉆石時(shí)代”網(wǎng)站譽(yù)為全球四大寶石級(jí)人造金剛石生產(chǎn)廠家。Apollo Diamonds和Gemesis曾一度在國(guó)際珠寶市場(chǎng)挑起與壟斷者De Beers Diamond貿(mào)易公司的競(jìng)爭(zhēng)。據(jù)預(yù)測(cè)2015年全球?qū)毷?jí)人造金剛石的銷售量將占已打磨加工鉆石需求量的7%。

3.1 寶氏金剛石公司(Gemesis Diamond Co.)

1996年成立于紐約,是國(guó)際上主要的寶石級(jí)人造金剛石生產(chǎn)企業(yè),采用HPHT和CVD技術(shù)生產(chǎn)寶石級(jí)人造金剛石,擁有數(shù)百臺(tái)套生產(chǎn)設(shè)備。早在2003年已開動(dòng)23臺(tái)壓機(jī),年產(chǎn)3萬克拉金剛石, 2008年,產(chǎn)量已達(dá)到10萬克拉。據(jù)稱在5.9GPa和160℃條件下保壓4天曾生產(chǎn)出黃色寶石級(jí)金剛石重達(dá)3克拉,所生產(chǎn)的無色金剛石大部分為Ⅱa型,質(zhì)量與天然金剛石不相上下,經(jīng)切割打磨后批發(fā)給珠寶零售商。據(jù)報(bào)道,該公司2013年4月生產(chǎn)出世界上最大的寶石級(jí)人造金剛石,加工成綠寶石式切割的晶體,重1.29克拉。同年11月打破此記錄生產(chǎn)出更大的寶石級(jí)人造金剛石,加工成公主形切割的晶體,重1.78克拉。

3.2 阿波羅金剛石公司(Apollo Diamond Ine.)

該公司成立于1990年,起初生產(chǎn)人造金剛石單晶片用于納米技術(shù)與光電子技術(shù),嗣后進(jìn)軍珠寶市場(chǎng),經(jīng)多年研究采用CVD技術(shù)生產(chǎn)寶石級(jí)金剛石,獲得多項(xiàng)美國(guó)專利。所生產(chǎn)的寶石級(jí)人造金剛石在色澤、透明度、比重、硬度、折光指數(shù)和色散方面均無異于天然金剛石。該公司于2006年開始批量銷售用寶石級(jí)人造金剛石琢磨的鉆石首飾,年?duì)I業(yè)額達(dá)120萬美元。所生產(chǎn)的寶石級(jí)人造金剛石有無色的晶體,打磨加工后重量在0.24到0.67克拉之間;也有橘黃色和粉紅色晶體,打磨加工后最大重量為1.2克拉;其它還有黑褐色等晶體。

2011年,該公司生產(chǎn)寶石級(jí)人造金剛石的全套設(shè)備及相關(guān)專利等知識(shí)產(chǎn)權(quán)被Scio Diamond Technology公司所收購。

3.3 賽歐金剛石技術(shù)公司(Scio Diamond Technololgy Corp)

該公司是以全盤收購Apollo Diamond公司起家的。由于技術(shù)力量雄厚,其產(chǎn)品在國(guó)際鉆石珠寶市場(chǎng)備受青昧。所生產(chǎn)的無色和純色的寶石級(jí)人造金剛石單晶打磨加工后的重量可達(dá)到0.25至2克拉以上。

2013年9月該公司宣稱已與兩家資深寶石企業(yè)簽署合資經(jīng)營(yíng)協(xié)議,將在中國(guó)設(shè)廠生產(chǎn)Ⅱa型單晶CVD金剛石供應(yīng)寶石市場(chǎng),預(yù)計(jì)2014年夏投產(chǎn),頭年將裝備100臺(tái)該公司設(shè)計(jì)的CVD反應(yīng)裝置及HPHT壓機(jī)等配套設(shè)備。第二年將擴(kuò)增至400臺(tái)。該公司的原有生產(chǎn)能力為10臺(tái)CVD反應(yīng)裝置,年產(chǎn)32,000克拉以上未加工的寶石級(jí)人造金剛石,其化學(xué)、物理和光學(xué)性質(zhì)完全與天然金剛石一致,目前生產(chǎn)的Ⅱa型未加工寶石級(jí)人造金剛石的重量在2.5～3克拉,并已研制出3.5克拉的。此外也已研制Ⅱb型籽晶片。

3.4 查塔姆創(chuàng)想寶石公司(Chaham Created Gems)

該公司是一家研究與生產(chǎn)人造寶石的專業(yè)公司。自1938年生產(chǎn)第一顆人造綠寶石起家,被譽(yù)為全球最先在實(shí)驗(yàn)室制造出人造寶石的廠家。嗣后相繼生產(chǎn)出人造紅寶石、紫翠玉、蓮花剛玉、藍(lán)寶石和粉紅藍(lán)寶石,據(jù)說該公司的創(chuàng)始人Carroll F·Chatham在探尋人造金剛石的道路上走過了65個(gè)年頭,后來在原通用電氣公司生產(chǎn)人造金剛石的高溫高壓合成技術(shù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過改進(jìn)以較復(fù)雜和耗時(shí)的工藝生產(chǎn)出更大粒度的人造金剛石晶體并加以琢磨成人造鉆石供應(yīng)珠寶市場(chǎng)。目前該公司生產(chǎn)的人造鉆石有黃、藍(lán)、粉紅三個(gè)系列十二個(gè)品種,琢磨后的重量在0.1至1.2克拉之間。

3.5 新時(shí)代金剛石公司(New Age Diamonds)

是俄羅斯具有相當(dāng)規(guī)模的人造金剛石生產(chǎn)企業(yè),但又是國(guó)際知名的寶石級(jí)人造金剛石生產(chǎn)廠家。多年來它與美國(guó)著名首飾公司R&R Grosbard合作生產(chǎn)多種首飾行銷國(guó)際珠寶市場(chǎng)。它所提供的寶石級(jí)人造金剛石有鮮黃色、橘黃色、深紅色和淡綠色,為標(biāo)準(zhǔn)圓鉆形切割和公主方形切割。此外,也提供天然鉆石,用黃金或白金鑲制成高檔首飾。該公司從一開始就一直使用HPHT法生產(chǎn)寶石級(jí)金剛石,所以粒度較小,通常加工后的成品在0.5至1克拉上下,據(jù)稱該公司至少開動(dòng)120臺(tái)以上的壓機(jī)生產(chǎn)寶石級(jí)人造金剛石,質(zhì)量可與天然鉆石相媲美。

3.6 Ⅱa技術(shù)公司(Ⅱa Technologies Pte)

該公司創(chuàng)立于2005年,總部與生產(chǎn)設(shè)施在新加坡,創(chuàng)始人為印度某理工學(xué)院教授,從事金剛石合成技術(shù)研究數(shù)十年。該公司成立伊始即以采用微波等離子化學(xué)氣相沉積(MPCVD)技術(shù)生產(chǎn)無色金剛石為宗旨,目前已裝備50余臺(tái)套MPCVD反應(yīng)裝置用于生產(chǎn)高純度寶石級(jí)金剛石。其研究人員正在努力攻克籽晶等技術(shù)難關(guān)以便工業(yè)化生產(chǎn)Ⅱa型較大顆粒且顏色純正的寶石級(jí)金剛石。最近宣稱已研制出最大顆粒的寶石級(jí)金剛石為6克拉。此外,該公司還生產(chǎn)工業(yè)用人造金剛石應(yīng)用于石油、電子、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域,并規(guī)劃將成為全球擁有最大規(guī)模MPCVD反應(yīng)裝置和全球最大的生產(chǎn)Ⅱa型高純度寶石級(jí)金剛石的企業(yè)。

3.7 托管金剛石公司(Custodiam)

是一家有名的比利時(shí)公司,專業(yè)生產(chǎn)多種超硬材料和各種金剛石制品積30余年之經(jīng)驗(yàn)。值得注意的是近幾年它投放一款驚艷珠寶市場(chǎng)的新奇人造鉆石稱為黑鉆珠,其呈現(xiàn)的神奇的黑顏色,為寶石級(jí)人造金剛石所罕見。

縱觀寶石級(jí)人造金剛石的發(fā)展?fàn)顩r,生產(chǎn)寶石級(jí)人造金剛石的方法不外乎HPHT法和CVD法, CVD金剛石開始出現(xiàn)在寶石級(jí)人造金剛石市場(chǎng)大約是10年前。由于CVD金剛石的生長(zhǎng)過程可控,可生長(zhǎng)出高純度無色而且大于1克拉的單晶,生產(chǎn)成本比HPHT法經(jīng)濟(jì)。而HPHT法的生產(chǎn)周期較短,但粒度較小,且成品率不是很高,要生產(chǎn)出較大顆的寶石級(jí)金剛石十分困難,延長(zhǎng)合成周期又往往會(huì)導(dǎo)致合成失敗。

無論是工業(yè)用人造金剛石還是寶石級(jí)人造金剛石,目前市場(chǎng)都供不應(yīng)求。因?yàn)榫哂邢喈?dāng)生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)為數(shù)不多,而且現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)方法均有其局限性。2007年成立的美國(guó)Centaurus Diamond Technologies公司的創(chuàng)始人Al Snaper最近申請(qǐng)到一項(xiàng)關(guān)于生產(chǎn)人造金剛石的全球方法的專利,用于大批量生產(chǎn)人造金剛石,其生產(chǎn)速度有可能比現(xiàn)有方法快得多。該專利已于2010年發(fā)布,專利項(xiàng)目為“(Synthesis of diamond by extraction of a pulse derived from the abrupt collapse of a magnetic field),簡(jiǎn)稱為Magnatek法。其基本原理是采用由磁場(chǎng)突然崩潰產(chǎn)生的壓力將含碳材料轉(zhuǎn)化為金剛石。實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的,使用這種方法已經(jīng)合成出不同粒度、不同質(zhì)量和不同顏色的人造金剛石。目前該公司仍在不斷完善這種方法以期盡早設(shè)計(jì)出原型裝置。

目前全球鉆石珠寶市場(chǎng)需求約620億美元,其中人造鉆石需求約62億美元,天然鉆石需求為558億美元。寶石級(jí)人造金剛石行業(yè)未來發(fā)展前景可觀。

4 紀(jì)念品鉆石發(fā)展?fàn)顩r

顧名思義,紀(jì)念品鉆石是指具有某種紀(jì)念意義的人工合成鉆石,大約在2009年首先由生命寶石(Life Gem)公司在實(shí)驗(yàn)室合成。它是用人的毛發(fā)經(jīng)熱處理分離出碳,也可用人或動(dòng)物骨灰制成顆料或氣態(tài)碳,加入其它元素,經(jīng)過鹵素凈化后,即可用HPHT法生產(chǎn)出紀(jì)念品鉆石。成品通常由美國(guó)寶石學(xué)會(huì)(GIA)或英國(guó)伯明翰鑒定所(Birmingha Assay Offiee)進(jìn)行鑒定分級(jí)。目前紀(jì)念品鉆石已流行于美國(guó)、英國(guó)、瑞士、荷蘭、日本等許多國(guó)家。全球從事生產(chǎn)紀(jì)念品鉆石并提供服務(wù)的公司至少有9家,其中較著名的是:

4.1 生命寶石公司(Life Gem)

是一家美國(guó)公司,前身為國(guó)際研究與復(fù)元公司(International Researoh&Recovery Corporation),成立于2001年。2005年在英國(guó)設(shè)立分公司從事生產(chǎn)紀(jì)念品鉆石。據(jù)該公司稱,從一個(gè)人的骨灰中可提取足夠的純碳用以合成出50顆紀(jì)念品鉆石,每顆重量可達(dá)1克拉。一般重為0.20至0.29克拉的紀(jì)念品鉆石價(jià)格為3499美元,而0.90至0.99克拉的價(jià)格為19999美元。目前可制出的紀(jì)念品鉆石最大為1.5克拉。該公司自成立以來已為5000個(gè)以上喪事家庭提供服務(wù)。此外,也可為死去的寵物提供紀(jì)念品鉆石服務(wù)。通常紀(jì)念品鉆石大多制成項(xiàng)鏈吊墜或戒指隨身佩戴以示對(duì)已故親人或?qū)櫸锏膽涯睢?/p>

4.2 新時(shí)代金剛石公司(New Age Diamonds)

是俄羅斯最大的人造金剛石生產(chǎn)企業(yè),其業(yè)務(wù)范圍涉及工業(yè)用人造金剛石和珠寶行業(yè)用的寶石級(jí)人造金剛石。2006年該公司又向市場(chǎng)投入一項(xiàng)人造金剛石專利產(chǎn)品稱為YPD(“你的個(gè)人鉆石”),即采用人或動(dòng)物毛發(fā)為原料合成的個(gè)性化鉆石。經(jīng)鑒定其元素、化學(xué)與物理學(xué)性質(zhì)與天然鉆石無異,可具有黃、綠或深紅色。這種紀(jì)念品鉆石可滿足喪事家庭或墓園和火葬場(chǎng)紀(jì)念性服務(wù)之需,也可作為家庭寵物如狗、貓等的配飾。由于毛發(fā)結(jié)構(gòu)的特殊性、它含有其些微量元素和遺傳密碼,可視為一定的個(gè)體密碼信息,因此用它作為原料合成紀(jì)念品鉆石就意味著該鉆石與某個(gè)體之間存在的關(guān)系,所以在珠寶市場(chǎng)上作為結(jié)婚禮物或一種特殊意義的禮物很受人們青昧。

5 人造金剛石未來發(fā)展趨勢(shì)

綜觀國(guó)際人造金剛石行業(yè)的近期發(fā)展態(tài)勢(shì),人造金剛石未來的發(fā)展很可能趨向于:

5.1 提升現(xiàn)有人造金剛石已知的極致性能

當(dāng)今世界的科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異,人造金剛石作為一種功能材料,它的現(xiàn)有性能遠(yuǎn)未能滿足科學(xué)技術(shù)研究與科學(xué)技術(shù)發(fā)展之需。

5.2 研發(fā)新型人造金剛石以填補(bǔ)稀有天然金剛石類型

在天然金剛石中有某些類型金剛石的性能對(duì)某些科學(xué)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要,但由于資源奇缺因而妨礙著學(xué)科技術(shù)的進(jìn)步。例如Ⅱa型金剛石,幾乎不含化學(xué)雜質(zhì),可說是純度最高的金剛石類型,在天然金剛石中其產(chǎn)量還不到2%。

5.3 研究發(fā)掘金剛石的未知極致性能

金剛石的發(fā)現(xiàn)至今雖已有數(shù)千年歷史,但由于人類認(rèn)知能力和檢測(cè)技術(shù)手段的局限性,金剛石的極致性能并未完全獲得開發(fā)利用。例如潛在熱學(xué)性能與半導(dǎo)體性能很可能會(huì)在探測(cè)原始“引力波”方面發(fā)揮作用因而在研究解開宇宙大爆炸之謎中作出重大貢獻(xiàn)。

5.4 研究探索新型超重金剛石材料

類金剛石碳(DLC)是一種無定型碳材料,具有某些典型的金剛石性質(zhì)。通常作為鍍膜來應(yīng)用,可賦予其它材料某些特異性能。在類金剛石碳中,硬度最大而表面最光滑的是四面體非晶碳,即ta-c。據(jù)報(bào)道,在普通304不銹鋼表面鍍上一層只有2μm厚的tac膜,可使抗磨損性能大為提高,使用壽命可從一周延長(zhǎng)至85年。近些年在歐盟市場(chǎng)上類金剛石碳膜的銷售額達(dá)3千萬歐元。

據(jù)美國(guó)“科學(xué)日?qǐng)?bào)”報(bào)道,斯坦福大學(xué)的研究人員在超高壓力下研制出一種超硬非晶質(zhì)金剛石,無金剛石的結(jié)晶結(jié)構(gòu),但具有碳一樣輕的特性。

金剛石是自然界已知的硬度最大的物質(zhì),就技術(shù)而言,硬度是決定材料應(yīng)用價(jià)值的重要性質(zhì)之一。在金剛石晶體結(jié)構(gòu)中摻入某種元素可以改變其性質(zhì),采用化學(xué)計(jì)量法求得理想的配比就有可能探索出新型的超硬材料。

Recent Development Trend of International Synthetic Diamond Industry

TAN Yao-lin
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd,Guilin,Guangxi,China 541004)

The application of synthetic diamond has developed from the industrial circle into the jewelry industry and then into souvenir diamond serving for funeral or as special gifts.This article elaborates the latest development of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond as well as latest application of the industrial synthetic diamond in high-tech and the industrial sectors.The current developmental level of the technology of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond and the future development trend of the synthetic diamond are fully reflected in this article.Besides,this article gives a brief introduction to the development of the major producer of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond in the world.

synthetic diamond;gem quality;application area;developmental level of the technology;development trend;producer

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0034-06

2014-06-15

談耀麟(1936-),男,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事超硬材料方面的科研和情報(bào)工作。