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培育钻石技术的兴起与现状

关键词 培育钻石|2021-11-22 08:46:08|涂附新闻|来源 中国超硬材料网
摘要 在众多的奢侈品中,钻石饰品一直都以其晶莹剔透,尊贵典雅和历史久远而屹立世人面前。“钻石恒永久,一颗永流传”的广告语几乎在每一个人的心目中都刻了深深的烙印,一枚钻戒成为了结婚订婚程序...

在众多的奢侈品中,钻石饰品一直都以其晶莹剔透,尊贵典雅和历史久远而屹立世人面前。“钻石恒永久,一颗永流传”的广告语几乎在每一个人的心目中都刻了深深的烙印,一枚钻戒成为了结婚订婚程序之中必不可少的一部分,钻石饰品似乎已经成为每一个女性必须的奢侈品之一了,在中国选用钻石戒指作为订婚戒指的文化还在不断发展中。

 01 兴  起
       当前,在金刚石所有的应用中培育钻石最受资本青睐,而高品质的培育钻石已由实验室走向市场。2016年,Swarovski培育钻石品牌Diama面世,并在2020年,推出培育钻石彩色系列。2018年,De Beers集团创立培育钻石品牌Lightbox,该品牌依托元素六公司强大的技术保障及其母公司的珠宝行业背景,在成本产量、品质控管及品牌打造方面占据显著优势。2019年,美国最大珠宝零售商Signet线上销售培育钻石。2020年,国际宝石学院IGI鉴定了两颗质量分别为21.91g和23.13g的培育钻石,美国宝石学院GIA推出新版培育钻石检测报告。
       近年来,国内金刚石相关产品制造企业也陆续推出培育钻石产品,如黄河旋风,沃尔德,宁波晶钻,上海征世,杭州超然及中南钻石等企业均有相关的产品出售。2019年,由国检中心深圳珠宝检验实验室有限公司负责起草的Q/NGTCJSZ000012019<合成钻石鉴定与分级>正式发布实施。国内外行业巨头,权威定检测机构的加入,表明目前培育钻石行业发展逐渐规范,消费者认可度逐渐提高,培育钻石市场短期内还有较大的发展空间。 

02 培育方法
       经过多年的研究发展,目前有多种方法可以成功的制出合成钻石,其中两种方法已经商业化,即化学气相沉积法,简称CVD法和高温高压法,简称HPHT法。
       2.1 CVD合成钻石的原理
       CVD合成钻石是在较低的合成温度,压力条件下,用化学反应,分离出碳源气体中的原子和分子,重新在基底(种晶)上,由于吸附作用沉积形成晶体生长的技术,碳源气体在钻石热力学亚稳区域,被离解成自由基(碳原子和氢原子或者甲基CH3和H原子),并在一定的温度压力条件下在基底上形成钻石,当基体使用天然的或者HPHT法合成钻石时---即同质外延生长钻石晶体--在基底上将生长出单晶钻石,而使用硅、钨、钼做的衬底时,在基底上将长出多晶体的钻石膜。
       MPCVD(微波等离子CVD)技术能够合成出,纯净度较高的金刚石。其主要特点是,等离子体中产生原子氢的浓度大,没有电极污染,能够较高压力下产生稳定的等离子体,生长的金刚石膜的质量较高,其设备也是国外科学家研究的重点。微波法能够制造大面积,高质量的金刚石,是未来人造金刚石最理想的方法,该方法已经在国外得到了很好的应用,如导弹头罩、光学红外窗口等。MPCVD法能够制备高级的金刚石,经过加工以后可以制作钻石等装饰品,其价格仅为天然钻石价格的四分之一左右,只是微波设备和技术成本投资较大。
       然而,国内掌握MPCVD技术的厂家并不多,目前依旧是欧美厂家占主导。目前市场上主流公司包括Norton公司,Crystllume公司,Lambda.Technologies公司,Element Six公司,Fraunhofer公司,ASTeX公司,Westlnghouse电气公司,IBM公司,ApolloDimond公司,De Beers公司等,这些公司都在使用MPCVD法培育钻石。由于纯度高的单晶金刚石不仅能够做成珠宝。电学、光学、力学和热力学等方面的优异特性还能够使它在半导体、5G通讯、高端装备、军工科技领域作为核心材料使用。(掌上湖南)
值得关注的是,湖南航天长沙新材料产业研究院有限公司金刚石设备及制品产业化项目致力于MPCVD金刚石设备及制品的研制,技术转化和人才培养,将进一步提升我国金刚石制备和应用水平,对推动金刚石的产业化有重要战略意义。(中国超硬材料,2020No3,p94)
       2.2 HPHT法生长金刚石单晶,碳源被放置在高温端,籽晶被放置在低温端。宝石级金刚石单晶的生长过程,是金刚石的溶解和再析出过程。由于,触媒中的碳素浓度与温度有关,高温端和低温端碳素浓度梯度的存在,促使碳素由高温向低温端扩散,并在籽晶上析出,实现晶体的外延生长。
       合成钻石与天然钻石相比有以下优势:(1)成色可控制,可根据市场和客户的需求生产不同品质的钻石;(2)尺寸可控,可根据需要生产不同尺寸的钻石;(3),颜色可控,可根据客户的喜好生产不同颜色的钻石;(4)人造宝石级钻石的材质可以量身定做,可以定做各种纪念意义的钻石;(5);大颗粒人造钻石较低的生产成本更能满足大规模的工业应用需求;(6)人造宝石级钻石成本较天然钻石有明显的优势。因此,发展潜力巨大。
       03 现  状
2021年11月6日,征世科技新品发布会在进博会消费品展区隆重举办,一颗16.42克拉的CVD培育钻石“MagicPrincess”在全球首度亮相。

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2013年CVD钻石才开始逐步进入珠宝市场,由于技术条件的限制,CVD法培育的钻石毛坯普遍厚度不足,因此当时CVD的重量大多为0.3克拉--0.70克拉之间。
       由ApolloDiamond生产的CVD钻石(0.27--0.62克拉)显示出强烈的粉红色可与顶级天然粉红色媲美。

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       到了2015年,随着CVD的技术突破达到了5.19克拉,但净化度和颜色等级稍逊,仅为j色,VS2净度 。

随着CVD技术的进一步发展,CVD培育钻石的克拉重量也随之变大,2018年美国的CVD培育钻石公司WashingtonDiamond己经将重量记录提升到了9.04克拉,但这颗钻石的品质仍受限于颜色和净度,为l色VS2净度。(超硬材料,2021年总第02期16--17(培育钻石)

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天然钻石属于非再生资源,形成于地表下超过100公里深处,再伴随着火山喷发等地质活动上升到地面,地幔中的高温高压使碳元素结晶形成钻石,偶尔会将周围的尘埃或液体杂质包裹进去,因此,天然钻石十分珍贵。
俄罗斯圣彼得堡的NewDiamondTechnology培育钻石公司制造出了一颗重达129.47克拉尺寸为29.5x29.5x21mm的Ib型HPHT单晶培育钻石毛坯(如下图),再一次打破了大颗粒培育钻石世界纪录。

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129.47克拉培育钻石再创世界纪录

培育这颗钻石耗时400小时左右,培育速度达到了65mg//小时。公司方面认为,这预示着未来大颗粒培育钻石市场将会有一次极大的跃升。另外,随着开发的不断进步和设备的更新,培育钻石毛坯的制造成本也会继续下降。
NewDiamondTechnology公司成立于2014年,目标就是大批量生产最高品质的单晶钻石。

2018年凭借一枚重达103.5克拉的培育钻石(如下图),让整个行业为之震动。

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103.5ct

培育钻石行业近年来经历了高速发展,人们从最初的怀疑和排斥,到现在的拥护和支持,其中浸透了大量从业者的汗水。(中国超硬材料网)
       04  结  语
       4.1 高品质的金刚石,经过切割、打磨、抛光加工成钻石珠宝后具有装饰观尝属性、金融投资属性和文化传承属性,多年来受到投资者、消费者的追捧和喜爱。大尺寸培育金刚石制备技术的成熟,为珠宝行业开辟了新的巿场领域---培育钻石。
       4.2 大尺寸高质量SCD关键技术的突破,并伴随着消费者对培育钻石认知度和接受度的提高,能够有效缓解当前国内珠宝市场对天然钻石100%依赖进口的问题。
       4.3 相较天然钻石,培育钻石最大的特点是产量不受限制,价格低廉。近年来,随着技术不断进步,培育钻石的产量、品质,都有了显著的提升,同时成本也进一步下降。
       4.4 天然钻石通常是经过数十亿年形成的,大约在地球50公里深处,那里有高压和1000摄氏度以上的温度,ANU物理研究学院的Bradby说。一个国际科学家团队在实验室里,在室温下几分钟内就制造出了钻石。
       4.5 钻石被认为是地位,财富和浪漫的象征,随着科学家对钻石的了解越来越多,近年来钻石开始失去这些神秘感。
       4.6 未来天然钻石和培育钻石可以做到共存吗?
      (1)随着钻石矿藏资源的枯竭,培育钻石正在弥补天然钻石的供应短缺;(2)从科学的角度来看,培育钻石与天然钻石没有区别都是碳元素构成,硬度都是莫氏10,物理特性和化学成分没有区别,但最关键的还是消费者的认知;(3)培育钻石近两年发展速度极为惊人,不仅因为本身价格相对天然钻石低很多,更因为新一代消费者的崛起和意识改变;(4)培育钻石对消费者的关键吸引力在于低价,可以花同样乃至更低的价格买到更大的钻石,目前市场上培育钻石的价格大约为天然钻石60%左右,未来会更低;(5)对于珠宝商和珠宝零售商来说,还是基于培育钻石的高利润吸力;(6)在接受MVI调查中,有95%的珠宝商认为经营培育钻石的利润更高。其中有78%珠宝商认为,经营培育钻石比经营天然钻石高16%至40%。

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