人工合成钻石的鉴定 二0一六年十一月 1 宝石之王-钻石 对于钻石,我们从不陌生。自古以来,人们就对钻石充满了幻想,它 自身散发出的光芒将绚丽如虹的色彩照耀在每一个人的眼中。现今,流 光溢彩的钻石已经取代了金银的地位,被视为爱情与忠贞的象征,令无 数人为之向往。 1 宝石之王-钻石 钻石之最 最神秘的钻石-海洋之心 具有鲜艳深蓝色的钻石,是稀世珍品, 大粒者世界上仅有几颗。名钻“希望”,就 最大的钻石-非洲之星 The Cullinan 非洲之星是在1905年于南非 是其中之一,它那像迷雾一样的历史中充满 神秘。在电影《泰坦尼克号》中也有出现。 Premier矿场中发现,重量高达3106 carats。最大者(Cullinan I)被镶嵌在 英皇的权杖上,重达530.2 carats。 1 宝石之王-钻石 ? 1.1 钻石从哪里来 钻石是在地球深处,约150~200公里处富含碳元素的矿层,在巨大压力 和大约1200℃的环境下,碳的分子排列结构发生巨大变化,变成透明的钻 石晶体,钻石其实是一种密度相当高的碳结晶体。在形成过程中,如有其 它元素混进来,会使一些天然钻石具有多种颜色。 钻石形成地 有颜色的钻石 1 宝石之王-钻石 ? 1.2 钻石的结构和成分 钻石的化学成分是碳,属等轴晶系。常含有0.05%-0.2%的杂质元素,晶体形态多 呈八面体、菱形十二面体、四面体及它们的聚形。有强金刚光泽。硬度为10,是目 前已知最硬的矿物,绝对硬度刚玉的150倍,钻石具有发光性,日光照射后 ,夜晚 能发出淡青色光。钻石的化学性质很稳定,在常温下不容易溶于酸和碱,酸碱不会 对其产生作用。 钻石的结构 钻石的立方晶体结构中每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳 原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所 以钻石硬度大,熔点极高。 石墨的结构 石墨和钻石的成分相同,石墨结晶格架为六 边形层状结构,属六方晶系,分子键为主。 石墨与金刚石、碳六十、碳纳米管等都是碳 元素的单质,它们互为同素异形体。 1 宝石之王-钻石 ? 1.3 钻石的主要产地 世界各地均有钻石产出,已经有30多个国家拥有钻石资源,年产量一 亿克拉左右。产量前五位的国家分别是澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄 罗斯。 钻石单位为克拉。一克拉等于0.2毫克,因其外观,储量和加工等因素, 钻石价格昂贵。 TESIRO 定制戒指 商品总重量10g 售价10719元 2 人工合成钻石 ? 2.1 人工钻石 钻石在众多领域应用广泛,但由于价格开采因素,需求远大于供给, 因此出现人工钻石。 人工钻石是一种由直径10到30nm的钻石结晶聚合而成的多结晶钻石。 此外还存在其它材质的仿制钻石。由于生成环境的不同,人工钻石的分 子结构并不是天然钻石的完全八面体结构而是一种复杂结构,从而会产 生磷光现象。 经过科学家的改良制作方法,现在生产的人工钻石在外观上和天然钻 石没有任何差异,随着人工钻石生产技术的成熟,其造价低廉,且可以 制作出各种颜色的钻石而在珠宝市场上崭露头角。 \ 2 人工合成钻石 ? 2.2 人工合成钻石技术的发展 1954年人工钻石首次合成成功,当时,一批通用电器公司 的研究员仿造钻石在自然界形成的环境,给碳加以极度的高 温和高压,在实验室里制造出一颗钻石。 后来,俄罗斯研究小组在2300℃、15到18万个大气压的高 温高压环境下,在中心放一颗很小的天然钻石作为种子,在 种钻周围是高温金属液体,在金属溶液的上层是石墨,在这 种环境下石墨中的碳原子会从金属原子中列队走向钻石从而 形成新的钻石。这种技术可以制作大颗粒的钻石,但由于经 费等问题这一课题一度停止。 \ 2 人工合成钻石 为降低试验条件,节约成本,科研工作者开始采用CVD(化学气相沉 积)的方法,在很低压力和相对低的温度下,将碳从含碳的混合气体沉 积成钻石基体。 实验过程:将天然气和氮气加热后,在洗碗机大小的压力室里形成一种 碳等离子体,该等离子体不断沉积在压力室底部的碳底层上,并逐渐积 聚和硬化,形成钻石薄片,进而切割成宝石形状。 现今,人工钻石技术更加成熟,涌现出蒸汽沉积、冷坩埚融壳法和射 频加热技术等方法。总体而言,人工钻石技术可被归为HPHT(高温高压 法)和CVD(化学气相沉积法)两大类。HPHT钻石和CVD钻石与天然 钻石几乎完全相同,仅在原子结构层面存在差异。 2 人工合成钻石 ? 2.3 其它种类的人工钻石 其它人工钻石还有:合成碳硅石、立方氧化锆、钛酸锶、合成金红石、 仿钻火石玻璃(铅玻璃的一种)等。这些物质之所以能作为人工钻石, 主要是因为它们都有较高的折光率和明显的色散,使得这些人工钻石在 外观光学特征上与钻石 非常相似。 立方氧化锆 以假乱真的人工钻石 2 人工合成钻石 另外还有一些更为低劣的仿冒品,包括有:无色尖晶石、无色刚玉、 无色黄玉、无色水晶和石英玻璃等,由于它们的折光率和色散明显低于 钻石,肉眼直观鉴定很容易鉴定很容易区分。 目前市场常见的人工钻石是立方氧化锆, 因为这种人工合成品的物理性质与钻石很接 近,成本也很低。最近新出现的合成碳硅石, 光学性质更接近钻石,是比立方氧化锆更好 的钻石仿制品,价格为同等效果钻石的5-10%。 碳化硅(carborundum),多为人工合成,天然的非常稀少,仅出 现在陨石坑内,其颜色多为暗绿色、黑色。一些碳化硅带有浅 绿色色调,碳化硅的外观与钻石极为相同。 碳化硅戒指 2 人工合成钻石 ? 2.4 人工钻石带来的问题 现在,随着科学技术的发展,人工生产钻石的技术已经越来越强 , 在天然钻石嵌入了更多的人工加工的痕迹,钻石产业变得参差不齐,而 且,天然钻石中可能嵌入了人工钻石的成分,这就使得钻石业的真假程 度变得难以判定。天然钻石和人工钻石一起混淆于市场中,消费者极易 上当受骗。这直接导致了人们不得不寻求专门的技术来鉴别天然钻石和 人工钻石, \ 3 人工钻石鉴定方法 ? 3.1 早期鉴定方法-磁石吸引 最早的时候时候由于人工钻石技术不够精良,钻石商可以用非常简单 的方法确认钻石是否在实验室里面合成的,他们采用的是强力磁铁,因 为人工钻石内部有培养过程中残留的金属结晶,强力磁铁便能将钻石吸 起。 但随着人工技术的发展,金属残留量越来越少,该方法因而失效。 \ 3 人工钻石鉴定方法 ? 3.2 鉴定方法 时至今日,人工钻石技艺日益精湛,其制成的合成钻石,几乎可以假 乱真,然而与天然钻石相比,它的价值要逊色许多,在很多地方存在差 异,我们可以从如下几个方面通过物理和化学手段来检测钻石是属于人 工钻石还是天然钻石。 (1)颜色 绝大多数合成钻石呈黄色、渴黄色,其颜色往往比天然钻石更为浓郁鲜 亮;而天然钻石为无色、浅黄及其它颜色。但是无色透明的钻石鉴别就 比较困难了,其鉴别往往需要通过复杂的工艺。不过,无色透明钻石合 成也比较困难,数量并不多。 \ 3 人工钻石鉴定方法 (2)吸收谱线 人工钻石缺失天然钻石中无色-浅黄色系列在415nm的特征谱线。另 外绝大部分天然钻石为Ⅰa型,而合成钻石主要为Ⅰb型,少数情况下有 双原子集合体氮存在。 (3)异常双折射 正交偏光下,天然钻石因生长及运移过程的复杂性表现出复杂的异常 双折射特征,如不规则带状、波状、斑块状和格子状等,而人工钻石异 常双折射表现较弱,某些人工钻石呈十字形交叉的亮带。 (4)晶形及表面特征 人工钻石常以八面体和立方体聚形为主体,并且可发育成菱形十二面 体、四角三八面体或三角三八面体晶面。表面可能显示树枝状生长纹或 不规则的小丘或瘤状物,这与天然钻石不同。 3 人工钻石鉴定方法 (5)发光特征 不同方法合成的钻石,晶型还是有一些特征,使用现代仪器是很容易 辨别出来的,如紫外、红外、X光等。 1)紫外荧光检测:有些人工钻石在长波紫外光下呈惰性,在短波紫外光 下显示中等至强的黄绿色荧光,并且具分带现象,与天然钻石的荧光特 征不同。 2)阴极发光仪(电子激发下): 人工钻石:颜色:黄色-黄绿色,规则分区(主方体、八面体区不同)。 天然钻石:蓝色为主,层状生长或复杂的生长形式。 3 人工钻石鉴定方法 ? 3.3 立方氧化锆和碳化硅鉴定方法 对于立方氧化锆和碳化硅等市场上常见的人工钻石,在色散、硬度、 比重等方面和钻石有较大区别。 三种宝石参数对比 折射率 钻石 2.42 色散 0.044 光泽指数 17.2% 莫式硬度 10 韧性 好 比重 3.52 碳化硅 2.65-2.69 0.104 20.4% 9.25 优秀 3.21 立方 氧化锆 2.17 0.060 17.2% 8.25 好 5.80 3 人工钻石鉴定方法 ? 3.3 立方氧化锆和碳化硅鉴定方法 1)碳化硅人工钻石鉴定方法: 从视觉来看,碳化硅与钻石无法分别,甚至连仪器也区分不出,但碳化 硅的七彩火光比钻石更强。在专业仪器下测试,碳化硅的火光是钻石的 2.5倍。在火光上,钻石是0.044, 碳化硅是0.104;在折射度上,钻 石是2.417,碳化硅是2.65,碳化 硅的火光及折射度都超过钻石。 碳化硅石(左)和钻石(右)的火彩测试, 碳化硅石的火彩要优于钻石。 3 人工钻石鉴定方法 2)比重:碳化硅比钻石轻,即它们的比重不同,钻石的比重为3.52,而 碳化硅的比重仅3.22。对未镶嵌的材料,用甲基碘比重液(比重3.32)很 容易将两者区分。 3)硬度:碳化硅的硬度小于钻石,因此用钻石硬度计在碳化硅表面作刻 划试验会留下划痕,而刻划计不会在钻石表面留下划痕。 4)导电性:据GIA的报告,80%的碳化硅均为电导体(天然钻石中仅蓝 色、蓝灰色IIb型钻石具导电性)。常见的白/浅黄色系钻石是不导电的, 因此可用电导仪或者莫桑仪鉴别钻石与碳化硅。 5)折光率:碳化硅的折光率与钻石不同,碳化硅的反光特征也不同于钻 石,有经验的钻石鉴定人员可将二者区分;此外,碳化硅具双折射,因 此仔细观察不难看出碳化硅棱线及底尖的重影,此时变换观察角度,重 影仍会出现。 3 人工钻石鉴定方法 2)立方氧化锆人工钻石鉴定方法 立方氧化锆的鉴定方法和碳化硅类似,鉴定难度比碳化硅较低,主要 从比重、色散、硬度等方面鉴定: 色散:立方氧化锆的色散为0.060,高于钻石的0.044。因此立方氧化锆看 来比钻石更为熣灿。 硬度:立方氧化锆的摩氏硬度为8.5至9.0,钻石为10。 比重:立方氧化锆比钻石重1.7倍。立方氧化锆的手感更重。但是这特点 只能用来分别未镶嵌的宝石。 折射率:立方氧化锆的折射率为2.176,稍低于钻石的2.417。 传热:立方氧化锆与钻石的导热性为两个极端。立方氧化锆是上佳隔热 材料,可被用作喷射引擎隔热。而钻石则是最佳导热体之一,其导热能 力超越铜。只要使用适合的器材,这性质最能分辨两者。 3 人工钻石鉴定方法 ? 3.4 鉴定机构 通过HPHT(高温高压)或者CVD(化学气相沉积法)制备的人工钻 石与天然钻石几乎完全相同,只有在原子结构层面存在差异,鉴定非常 困难,一般情况下很难鉴定,这些人工钻石的鉴别需要专门的鉴定机构 和鉴定仪器才能实现,目前国际上人工钻石鉴定最权威的机构是IGI国际 宝石学院和GIA美国宝石学院。 目前正规市场上的钻石都必须经过IGI和GIA权威鉴定才能销售,GIA 对每一颗送检钻石进行检测,以鉴定其是否为天然钻石。针对实验室合 成的钻石,GIA会出具与标准的钻石鉴定证书完全不同的合成钻石鉴定 证书。 \ “钻石恒久远,一颗永流传”中国大陆最为经典的钻石广告语,如同 一次爱情核爆炸,响彻全球。在古老东方中国这句话更是意味深长,一 枚钻戒成为承载两人爱情最美好的信物。通过本课的学习,能够让我们 在鱼龙混杂的钻石市场,发现真正的钻石,钻石有多重,爱就有多深。 2015年11月20日, 英国《金融时报》消息,一家加拿 大采矿公司在博茨瓦纳发现的一颗重达1111克拉的宝 石级钻石,为一个多世纪以来发现的最大钻石。 2014年8月18日,南非采掘一颗绝世粉钻, 这颗钻石完美无瑕,非常稀有 钻石只用经过雕刻才能发出璀璨的光芒,“玉不琢,不成器。”对于 人生,我们理应抱着不断雕刻自我的态度,最终才能成材、成功。