合成碳硅石的寶石學特征及鑒定方法

萬佳鑫，余曉艷，孫竹琳

中國地質大學（北京）珠寶學院，北京100083

前言

合成碳硅石的強光澤、強火彩、高折射率和高硬度使得其在整體外觀上與鉆石相似，同時因其具有較高的熱導率，熱導儀無法區分其和鉆石，因而自1998 年合成碳硅石投放珠寶市場以來就常作為鉆石的極佳仿制品，給珠寶行業和鑒定機構帶來了一定的挑戰。本文主要通過測試無色和綠色合成碳硅石、鉆石及無色藍寶石、合成立方氧化鋯等鉆石仿制品的寶石學特征，分析合成碳硅石樣品的多型，總結出合成碳硅石與鉆石及其仿制品的鑒定方法。

1 樣品的寶石學特征

1.1 外觀特征

本文測試的合成碳硅石樣品為圓鉆型成品寶石11 顆，其中2 顆近無色，編號W01 和W02，稱為W 系列；4 顆綠藍色，編號B01-B04，稱為B 系列；5 顆藍綠色，編號G01-G05，稱為G 系列。樣品透明度好，具金剛光澤。所有合成碳硅石樣品都是在中國合成生長的，由來自廣州的珠寶商提供。圓鉆型成品寶石照片見圖1。

圖1 圓鉆型合成碳硅石樣品Fig.1 Synthetic moissanite samples with round-brilliant-cut

鉆石及其仿制品樣品由中國地質大學（北京）珠寶學院實驗室提供，為兩顆鉆石（編號Dia01 和Dia02）、兩顆無色藍寶石（編號Sap01 和Sap02）和兩顆合成立方氧化鋯（編號CZ01 和CZ02），均為圓鉆型。Dia01 帶灰黃色調，顏色為L 級，Dia02 帶黃色調，顏色為J 級，透明度都較好，為金剛光澤。藍寶石樣品為無色略帶黃色調，透明度好，玻璃光澤。合成立方氧化鋯樣品為無色，透明度好，亞金剛光澤。表1 為樣品的一些寶石學性質。

表1 樣品的寶石學性質Table 1 Gemological characteristics of the samples

1.2 相對密度

每個樣品測試相對密度三次，取平均值，測試結果見表1。合成碳硅石的相對密度為3.167～3.289，平均為3.218。鉆石的相對密度為3.520，無色藍寶石的相對密度為3.997，合成立方氧化鋯的相對密度為5.994。由此看出合成碳硅石的相對密度小于其他幾種寶石。

1.3 紫外熒光

樣品的紫外熒光情況見表1。所有合成碳硅石樣品在短波下都為惰性，在長波下W 系列為惰性，B系列和G 系列均可見強綠色熒光，且B 系列的熒光強度強于G 系列。

鉆石樣品在長波下均呈強藍色熒光，在短波下Dia01 為惰性，Dia02 呈弱藍綠色熒光。無色藍寶石樣品在長波下為中等橙紅色熒光，在短波下Sap01為惰性，而Sap02 顯中等藍色熒光。合成立方氧化鋯樣品則是在長波下為惰性，短波下為中等黃綠色熒光。所有樣品都未見磷光。圖2 為合成碳硅石、無色藍寶石和鉆石樣品在長波下的熒光，圖3 為合成立方氧化鋯和無色藍寶石樣品在短波下的熒光。

圖2 合成碳硅石、無色藍寶石和鉆石樣品在長波下的熒光Fig.2 Fluorescence of synthetic moissanites,colorless sapphire and diamond samples under long wave of UV fluorescent lamp

圖3 合成立方氧化鋯和無色藍寶石樣品在短波下的熒光Fig.3 Fluorescence of CZ and colorless sapphire samples under short wave of UV fluorescent lamp

1.4 多色性

所有樣品的多色性見表1。W 系列和藍寶石為近無色，因此不可見多色性。B 系列均可見中等二色性，綠/藍綠；G 系列都可見中等二色性，綠黃/藍綠。彩色合成碳硅石都具有二色性，而鉆石和立方氧化鋯無多色性，可用這點來輔助鑒別彩色合成碳硅石和彩色鉆石。

2 合成碳硅石的鑒定方法

2.1 透視效應

將樣品臺面朝下放在畫有黑線的白紙上，垂直地從亭部一側觀察是否能透過寶石看到黑線。如圖4，由于全內反射，切工較好的鉆石是看不到黑線的；而大多數仿制品如藍寶石和合成立方氧化鋯等都是能看到黑線的。合成碳硅石由于折射率大，也無法看到黑線，這雖無法用來區分其與鉆石，但可用于區分其它鉆石仿制品。

圖4 樣品的透視效應Fig.4 The perspective effect of samples

2.2 顯微觀察

在除平行光軸方向外，所有合成碳硅石樣品都可以透過冠部刻面觀察到后刻面棱重影（圖5），這是合成碳硅石的高雙折率（0.043）造成的。在合成碳硅石樣品中也可見一些平行于C 軸的白色針狀包裹體（圖6），這些在鉆石中不可見；鉆石中可見礦物包裹體、裂隙、云狀物等天然包裹體（圖7），而這些在合成碳硅石中不可見。

圖5 合成碳硅石中的后刻面棱重影Fig.5 Double shadow of the pavilion facet junctions in the synthetic moissanite sample

圖6 合成碳硅石中彼此平行的白色針狀包體Fig.6 Parallel white-appearing needles in the synthetic moissanite sample

圖7 鉆石中的裂隙Fig.7 Fracture in the diamond sample

2.3 熱導儀和590 型測試儀

合成碳硅石的熱導率（0.55～1.70cal/(cm·℃·s)）與鉆石的熱導率（1.60～4.80cal/(cm·℃·s)）有所重疊，所以熱導儀無法區分二者，而需將熱導儀和590 型測試儀組合在一起使用：先用熱導儀進行測試，對測試結果顯示為鉆石的樣品再使用590 型測試儀測試。本文測試的合成碳硅石樣品均通過了熱導儀測試，590 型測試儀測試結果為合成碳硅石。

2.4 鉆石確認儀和鉆石觀測儀

鉆石確認儀（Diamond Sure）是通過檢測Ia 型鉆石的415nm 吸收線來鑒別樣品是否為鉆石的。合成碳硅石和無色藍寶石、合成立方氧化鋯的測試結果全為“建議進一步檢測（REFER FOR FURTHER TESTS）”，而鉆石樣品的測試結果為“通過（PASS）”，這也說明其為Ia 型鉆石。測試結果見圖8。

圖8 W02（左）和Dia02（右）的Diamond Sure 測試結果Fig.8 Diamond Sure test results of W02（left）and Dia02（right）

鉆石觀測儀（Diamond View）是利用波長小于紫外短波的光照射樣品，并觀察其發光情況來鑒定是否為鉆石的。鉆石常常顯示不同的發光樣式，而合成碳硅石和無色藍寶石、合成立方氧化鋯都為惰性，未見到發光。鉆石樣品皆發強藍色熒光（圖9），未見到磷光。

圖9 Dia02 的Diamond View 測試結果Fig.9 Diamond View test result of Dia02

Diamond Sure 和Diamond View 配合在一起使用的話便可準確鑒別鉆石、合成碳硅石和其它仿制品。

2.5 紫外—可見光光譜

本次測試采用反射法，測試儀器為中國地質大學（北京）珠寶學院實驗室的UV-3600 系列紫外—可見光分光光度計，測試范圍為200～900nm，狹縫寬：2.0 nm，掃描速度：高速，采樣間隔：0.5s。

通過分析軟件將反射光譜轉換為吸收光譜（圖10），所有合成碳硅石樣品可見從400nm 開始并延伸到紫外區的強吸收區域，在380nm 處可見吸收邊，這表明其為4H 型SiC。B 系列和G 系列在464nm、592nm 處可見氮引起的吸收峰，因此它們為n 型SiC。并且B 系列的593nm 處的吸收峰強于464nm 處的，所以呈綠藍色；G 系列則相反，因而呈藍綠色；W 系列在可見光區域無明顯吸收峰，因此呈近無色。

圖10 W02、B01、G01、Sap01、CZ01 和Dia02 的紫外—可見光光譜Fig.10 The UV-Visible spectra of W02、B01、G01、Sap01、CZ01 and Dia02

Ia 型鉆石可見多個尖銳的吸收峰（最強吸收峰即特征峰為415nm），它在紫外光下的透過度在330nm 左右，所以鉆石和合成碳硅石才會在紫外透過度上存在巨大差異，并以此為原理制作了590 型測試儀。無色藍寶石和合成立方氧化鋯的紫外—可見光光譜也與合成碳硅石和鉆石的有著明顯的不同。

2.6 拉曼光譜

本次測試采用中國地質大學（北京）珠寶學院實驗室的Horiba Jobin Yvon 型激光拉曼光譜儀，激發波長為532nm，測試范圍為100～2000cm，掃描時間2s，疊加次數1 次。

合成碳硅石樣品在204cm、265cm、610cm、777cm、797cm和967cm處均可見吸收峰，且204cm峰強于265cm和610cm峰，777cm峰強于797cm峰，因此合成碳硅石樣品都為4H 型。

無色藍寶石的吸收峰在377cm、416cm、575cm、750cm處，強度都很弱；合成立方氧化鋯的吸收峰在148cm、615cm處，強度也較弱；鉆石的特征峰在1333cm處，強度很強（圖11）。它們的拉曼光譜中沒有重合的峰，特別是鉆石的1333cm峰，無論哪種多型、哪個光學方向的合成碳硅石的拉曼光譜都不可見此峰，可以此鑒定合成碳硅石和鉆石。

圖11 W02、B01、G01、Sap01、CZ01 和Dia02 的拉曼光譜Fig.11 Raman spectra of W02、B01、G01、Sap01、CZ01 and Dia02

3 結論

（1）合成碳硅石的相對密度為3.218，小于鉆石及其仿制品的相對密度；短波下惰性，長波下為惰性至不同強度綠色的紫外熒光；彩色合成碳硅石具有比較明顯的多色性。這些特征都不同于鉆石及其仿制品——無色藍寶石和立方氧化鋯。

（2）透視效應不可見黑線，顯微觀察可見后刻面棱重影和白色針狀包裹體也是合成碳硅石的特征之一。

（3）熱導儀和590 型測試儀、Diamond Sure 和Diamond View 的組合使用都可以很好地鑒別合成碳硅石和鉆石。

（4）通過合成碳硅石的紫外—可見光光譜和拉曼光譜可以確定樣品為4H 型合成碳硅石，且綠色樣品的紫外—可見光光譜中464nm 和592nm 吸收峰解釋了其致色原因。Ia 型鉆石紫外—可見光光譜特征的415nm 吸收峰和拉曼光譜中的1333cm特征峰在合成碳硅石中均不可見。合成碳硅石的紫外—可見光光譜和拉曼光譜與鉆石及其仿制品的光譜沒有重合的峰，這也是鑒定合成碳硅石的重要方法。