飾鉆培育技術的由來與興起

王光祖，位 星，張相法，王永凱，王大鵬

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001；2.鄭州中南杰特超硬材料有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

天然鉆石因為其屬于非再生資源，終究將會枯竭。人工培育高品質鉆石一直為眾多科技工作者所關注，經過多年的發展有兩種方法已經商業化。目前國內外研究成果顯著，研究結果顯示培育鉆石具有明顯優勢，發展潛力巨大，筆者斷言，其最終以其取之不盡、用之不竭，而且能夠完全滿足各種不同需求的特點而登上永恒的培育飾鉆終極殿堂。

在眾多的奢侈品中，鉆石飾品一直都以其晶瑩剔透、尊貴典雅和歷史久遠而屹立世人。“鉆石恒久”，一句廣為流傳的廣告語幾乎在每一個人的心目中都刻上了深深的烙印，一枚鉆戒成為了婚緣程序中不可或缺的組成部分，鉆石飾品似乎已經成為女性必須的奢侈品之一了，在中國選用鉆石戒指作為訂婚禮品的婚緣文化還在不斷發展之中。貝恩公司預計，到2023年全球培育鉆石市場規模或將達到52億美元，約合人民幣342億元，前景喜人。

1 培育鉆石興起

當前，在金剛石所有的應用市場中，培育鉆越來越受到需求者青睞。高品質的培育鉆石已由實驗室走向市場，2016年，Swarovski培育鉆石品牌Dima面世，并于2020年推出培育鉆石彩色系列。2018年，De Beers集團創立培育鉆石品牌Lightbox，該品牌依托元素六公司強大的技術保障及其母公司的珠寶行業背景，在成本產量、品質控管及品牌打造方面占據顯著優勢。2019年，美國最大珠寶零售商Signet線上銷售培育鉆石。2020年，國際寶石學院IGI鑒定了兩顆質量分別為21.91 g和23.13 g的培育鉆石，美國寶石學院GIA培育鉆石推出新版培育鉆石檢測報告。近年來，國內金剛石相關產品制造企業也陸續推出培育鉆石產品，如黃河旋風、沃爾德、寧波晶鉆、上海征世、杭州超然及中南鉆石等企業均有相關產品問世并投放市場。2019年，由國檢中心深圳珠寶檢驗實驗室有限公司負責起草的《合成鉆石鑒定與分級》標準 (Q/NGTC-J-SZ-0001-2019) 正式發布并實施。國內外行業巨頭、權威檢測機構的加入，表明目前培育鉆石行業發展逐漸規范，消費者認可度逐漸提高，培育鉆石市場短期內還有較大的發展空間。

2 培育方法

經過多年的研究發展，目前有多種方法可以成功地制出合成鉆石，其中兩種方法已經商業化，即化學氣機相沉積法(CVD法)[1-3]和高溫高壓法(HPHT法)[4-10]，這兩者是目前培育鉆石市場上最主要的兩種培育方式。相對而言，HPHT更早應用于寶石級別的培育鉆石上，早在2010年珠寶市場上就已經出現了HPHT培育鉆石。

2.1 CVD合成鉆石

CVD合成鉆石是在較低的合成溫度和壓力條件下，用化學反應方式，分離出碳源氣體中的原子和分子，重新沉積在基底(種晶)上，鑒于吸附作用形成晶體生長的技術，碳源氣體在鉆石熱力學亞穩區域，被離解成自由基(碳原子和氫原子或者甲基CH3和H原子)，并在一定的溫度壓力條件下在基底上形成典型金剛石結構的培育鉆石，當基體使用天然的或者HPHT法合成的鉆石時(即同質外延生長鉆石晶體)，在基底上將生長出單晶鉆石，而使用硅、鎢、鉬做襯底時，在基底上將長出多晶體的鉆石膜[11-12]。

微波等離子CVD技術(MPCVD)能夠合成出純度較高的金剛石，其主要特點是，等離子體中產生原子氫的濃度大，沒有電極污染，能夠在較高壓力下產生穩定的等離子體，生長的金剛石膜的質量較高，其設備也是國內外科學家研究的重點。MPCVD法能夠制造大面積、高質量的金剛石，將是未來科技工作者研制人造金剛石最理想的方法，該方法已經在國外得到了很好的應用(如導彈頭罩、光學紅外窗口等)。MPCVD法能夠制備高品級的金剛石，經過加工以后可以制作鉆石等級裝飾品，其價格僅為天然鉆石的1/4左右。目前只是微波設備和技術成本投資較大。

國內掌握MPCVD技術的廠家有限，目前仍是歐美廠家占主導，國際市場上主流公司為Norton公司、Crystllume公司、Lambda.Technologies公司、Element公司、Fraunhofer公司、ASTeX公司、Westlnghouse電氣公司、IBM公司、Apollo Dimond公司和De Beer公司等，這些公司都在使用MPCVD法培育鉆石。

值得關注的是，國內除了幾家老牌MPCVD公司如寧波晶鉆、上海征世、杭州超然等外，多家公司投入資金強勢介入MPCVD法培育鉆石的研發及生產，如鄭州三磨、沃爾德、中南鉆石、四方達、湖南航天長沙新材料產業研究院等，將進一步提升我國金剛石制備和應用水平，對推動金剛石的產業化具有重要戰略意義。

2.2 HPHT法生長金剛石單晶

當碳源被放置在高溫端、籽晶被放置在低溫端、利用溫差培育單晶體，是HPHT法生長金剛石的基本原理。寶石級金剛石單晶的生長過程是金剛石的溶解和再析出過程。觸媒中的碳素濃度與溫度有關，由于高溫端和低溫端碳素濃度梯度的存在，促使碳素由高溫向低溫端擴散，并在籽晶上析出，實現晶體的外延生長[13]。

合成鉆石與天然鉆石相比有以下優勢：

(1)成色可控制。可根據市場和客戶的需求生產不同品質的鉆石。

(2)尺寸可控。可根據需要控制合成時間來生產不同尺寸的鉆石。

(3)顏色可控。可根據需求者的喜好生產不同顏色的鉆石。

(4)人造寶石級鉆石的材質可以量身定做，可以定做各種紀念意義的鉆石。

(5)大顆粒人造鉆石較低的生產成本更能滿足大規模的工業應用需求。人造寶石級鉆石成本較天然鉆石有明顯的優勢，發展潛力巨大[14]。

3 彩色鉆石的顏色培育

實驗室培育出的鉆石和天然鉆石一樣，可以具有各種顏色，各種顏色的培育鉆石的呈色機理有所不同。

3.1 黃色系列

HPHT法培育出來的鉆石多為黃色系列，這是由于此方法合成的鉆石由于生長速度過快，不能形成天然鉆石的N3色心，合成鉆石的類型多為Ⅰb型(孤N)，而Ⅰb型鉆石中的多余的電子導致對藍光的吸收而形成黃色調。

3.2 褐色系列

褐色合成的鉆石多為CVD法合成，CVD合成的鉆石除了少數為近無色外，大部分都帶有一定的褐色調。這是由于其內部含有極少的孤N的塑性變異而導致。CVD合成的鉆石由于合成條件中幾乎沒有N，因此為Ⅱa型鉆石。天然的褐色鉆石的顏色成因，也與內部的塑性變形有關，但天然褐色鉆石可以是Ⅰ型，也可以是Ⅱ型。

3.3 無色系列

無色的合成鉆石可以是HPHT法，也可以是CVD法。由于HPHT法合成的鉆石中常含有N元素，這是導致產生黃色的原因，欲得無色的鉆石必須加入N吸收劑，此時HPHT法合成的無色鉆石由于幾乎不含N，鉆石類型則為Ⅱa型。除此之外，也可以利用高溫高壓使得晶體結構中的孤N轉移并匯集進而產生Ⅰa型鉆石，這類方法產生的鉆石也叫GE-POL鉆石。只有高純度的CVD合成鉆石才會沒有褐色調，最終呈現無色。

3.4 藍色系列

天然的藍色鉆石多為Ⅱb型，即內部幾乎沒有氮(N)元素，但有一定量的硼(B)元素。因此，只要利用合適的方法使得合成鉆石變為Ⅱb型鉆石即可產生藍色。比如HPHT法合成鉆石時加入N吸收劑，再加入適當的B元素，即可產生Ⅱb型鉆石，又或者將CVD法合成Ⅱa型鉆石時，加入適當的B元素也能夠產生Ⅱb型鉆石。

3.5 紅色系列

合成鉆石同樣可以產生尊貴的紅色系列，紅色的合成鉆石可以用HPHT法合成Ⅰb型鉆石，先經過輻射處理得到藍色、藍綠色，再經過加熱處理，最終可以獲得紅色或紫紅色的鉆石。這一類的粉紅色合成鉆石常具有673 nm、575 nm的吸收線，主要為N-V(空穴+孤N)所致。

3.6 綠色系列

天然綠色鉆石是由于受到自然輻射的影響而產生了GRI吸收，合成鉆石欲變成綠色也是相同的原理，將合成鉆石放入人工輻射設備，比如回旋加速器、電子輻照處理、中子照處理等，就可以得到綠色的合成鉆石，此外，也可以將HPHT法合成鉆石直接加入硼元素，得到Ⅰb型和Ⅱb型組合的合成鉆石，由于Ⅰb型為黃色，Ⅱb型為藍色，組合在一起也可以得到綠色的合成鉆石。

4 國內外培育技術現狀

4.1 國外培育技術現狀

圖1是由Apollo Diamond生產的CVD鉆石(0.27～0.62克拉)，其顯示出強烈的粉紅色可與頂級天然粉紅色媲美。直到2015年，隨著CVD的技術突破，單粒達到了5.19克拉，但凈化度和顏色等級稍遜，僅為J色，VS2凈度。

圖1 Apollo Diamond生產的CVD鉆石Fig.1 CVD diamond produced by Apollo Diamond

隨著CVD技術的進一步發展，CVD培育鉆石的克拉質量也隨之變大，2018年美國的CVD培育鉆石公司Washington Diamond已經將質量記錄提升到了9.04克拉(圖2)，但這顆鉆石的品質仍受限于顏色和凈度，為J色，VS2凈度。

圖2 Washington Diamond生產的CVD鉆石Fig.2 CVD diamond produced by Washington Diamond

俄羅斯圣彼得堡的New Diamond Technology培育鉆石公司制造出了一顆重達129.47克拉、尺寸為29.5 mm×29.5 mm×21 mm的Ⅰb型HPHT單晶培育鉆石毛坯(圖3)，再一次打破了大顆粒培育鉆石世界紀錄。

圖3 New Diamond Technology培育鉆石公司生產的鉆石Fig.3 Diamonds produced by New Diamond Technology diamond company

培育這顆鉆石耗時400 h左右，培育速度達到了65 mg/h。公司方面認為，這預示著未來大顆粒培育鉆石市場將會有一次極大的躍升。另外，隨著開發技術的不斷進步和設備的更新，培育鉆石毛胚的制造成本也會繼續下降。

New Diamond Technology公司成立于2014年，目標就是大批量生產最高品質的單晶鉆石。2018年憑借一枚重達103.5克拉的培育鉆石(圖4)，讓整個行業為之震動。

圖4 New Diamond Technology培育鉆石公司生產的103.5克拉鉆石Fig.4 103.5 carats of diamonds produced by New Diamond Technology company

培育鉆石行業近年來經歷了高速發展，人們從最初的懷疑和排斥，到現在的擁護和支持，其中浸透了大量從業者的汗水。

4.2 中國培育技術現狀

據中國超協統計資料顯示，2021年11月22日調查企業用于人造金剛石壓機臺數：中南鉆石1000臺；黃河旋風3000臺；鄭州華晶600臺生產白鉆，400臺生產單晶；力量鉆石400臺。

中國是目前世界上最大的人造金剛石生產國，已經連續15年位居世界首位，最近幾年的產量甚至占到世界總產量的90%，達到年產200億克拉(表1)。從某種程度上來說，中國正在改變世界鉆石行業的格局，更有市場觀點認為，中國的培育鉆石可能會徹底顛覆全球市場。但目前中國生產的培育鉆石以出口為主，大多數國內消費者在購買時還傾向于天然鉆石。

表1 中國金剛石主要生產企業毛鉆生產情況Table 1 Production of rough diamonds by major diamond producers in China

市場的需求會繼續推動人造鉆石行業的發展，這給中國培育鉆石行業帶來發展機遇，這是上海征世有史以來實驗室培育出全球最大CVD鉆石(圖5)，該鉆石毛坯46.20克拉，具F顏色和VVS2清晰度，屬Ⅱa鉆石。

圖5 上海征世培育的CVD鉆石Fig.5 CVD diamonds cultivated by Shanghai Zhengshi

IGI香港董事總經理Bob Van Es指出，一顆這種質量的實驗室生產的鉆石具有如此高度的清晰度和顏色等級是CVD培育的鉆石技術方面的一項了不起的成就。

圖6 杭州超然金剛石有限公司培育的CVD鉆石Fig.6 CVD diamonds cultivated by Hangzhou Chaoran Diamond Co.， Ltd.

2020年3月9日，IGI國際寶石學院鑒定了一顆7.06克拉的CVD培育鉆石，這顆鉆石來自中國培育鉆石生廠商——杭州超然金剛石有限公司，這顆鉆石的誕生也標志著高品質、大克拉CVD培育鉆石技術的日益成熟。這顆CVD鉆石經IGI國際寶石學院鑒定(圖6)，為F色、VVS2凈度、3EX切工。據介紹，其毛胚質量達到28克拉，是當時全世界最大的高品質CVD鉆石。在放大條件下觀測，這顆鉆石內部包裹體主要為稀疏的云狀物，此外在鉆石觀測儀(Diamond View)下，這顆鉆石呈紫紅色發光，并伴隨有一層層的生長紋路，是CVD鉆石的典型鑒定特征。

2015年IGI檢測的一顆HPHT法培育鉆石，重達10.02克拉、E色、VS1凈度，是當時全世界HPHT法培育出來的最大寶石級培育鉆石。

中南鉆石克拉級培育鉆石關鍵技術研發其產業化項目推廣獲得2020年河南省科學技術獎，標志著在HPHT法培育鉆石領域，培育技術、產業化水平在國內處于領先地位。中南鉆石克拉級培育鉆石項目形成了年產50萬克拉優質克拉級培育鉆石產能，成為國內唯一能夠批量供應3克拉及以上頂級培育鉆石毛坯的供應商，同時掌握了粉色、綠色、紫紅色等彩色鉆石生產工藝并能規模生產。

5 展望培育鉆石的廣闊天地

在鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司(簡稱“三磨所”)的國家重點實驗室，研發的高品級大單晶金剛石，已經可以切割成高品質的克拉級鉆石[15]。

“如果高品級大單晶金剛石(圖7)技術實現突破，用金剛石材料制作的芯片，但愿及早成為研發新型高性能計算機的重要支撐？”、“通過研發金剛石摻入的環保材料，可以高效降解有害物質，將污水直接處理成符合環保國標的清潔水，也許可以因此破解生物制藥行業的污水處理國際性難題？”、“開發同為碳基構成的金剛石超硬材料，替代金屬制成心臟起搏器、骨關節置換部件，不僅可以徹底克服人體對金屬材料產生的排異反應，而且極其堅固耐用，這也許能成為醫療產業一個新的突破口？”

圖7 高品質的克拉級鉆石Fig.7 Carat diamonds of high quality

國內超硬人協同行業感興趣的科研同仁，正在努力把這一個個“問號”，變成創新發展的“句號”和“嘆號”。基于金剛石優異的光、電、熱和化學性能的研發，目前大多還處于理論研究和實驗室探索中，但也許在不久的將來，這些“奇思妙想”將占據創新研發的制高點，拓展出新的產業發展空間，為整個超硬材料行業乃至國家制造業，開辟出一片片廣袤而富饒的“藍海”。

6 結語

高品質的金剛石，經過切割、打磨、拋光，加工成鉆石珠寶后具有裝飾觀賞屬性、金融投資屬性和文化傳承屬性產品，多年來受到投資者、消費者的追捧和喜愛。大尺寸高質量SCD關鍵技術的突破，并伴隨著消費者對培育鉆石認知度和接受度的提高，能夠有效緩解當前國內珠寶市場對天然鉆石大量依賴進口的問題。相較天然鉆石，培育鉆石最大的優勢是取之不盡，用之不竭，且價格低廉。近年來，隨著技術不斷進步，培育鉆石的產量、品質都有了顯著的提升，同時成本也逐步下降。

鉆石被認為是地位、財富和浪漫的象征，隨著科學家對鉆石的了解越來越多，近年來鉆石開始失去某些神秘感。

未來天然鉆石和培育鉆石可以做到共存嗎？

(1)隨著鉆石礦藏資源的枯竭，培育鉆石正在彌補天然鉆石的供應短缺。

(2)從科學的角度來看，培育鉆石與天然鉆石沒有區別都是碳元素構成，硬度都是莫氏10，物理特性和化學成分沒有區別，但最關鍵的還是消費者的認知。

(3)培育鉆石近兩年發展速度極為驚人，不僅因為本身價格相對天然鉆石低很多，更因為新一代消費者的崛起和意識改變。

(4)培育鉆石對消費者的關鍵吸引力在于低價，可以花同樣乃至更低的價格買到更大更美的鉆石，目前市場上培育鉆石的價格大約為天然鉆石的60%左右，未來會更低。

(5)對于珠寶商和珠寶零售商來說，還是基于培育鉆石的高利潤吸引力。

(6)在接受MVI調查中，有95%的珠寶商認為經營培育鉆石的利潤更高，其中有78%珠寶商認為，經營培育鉆石，比經營天然鉆石高16%～40%。