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金刚石有哪些种类及制作方法? 该如何选择?

工业用的金刚石,也就是合成金刚石,其制作方法主要有三种高温高压 (HPHT)、爆炸法和CVD

1.高温高压

金刚石的成份为大家已知只有一种成分即为碳(C),石墨的成分一样为碳(C),只是在结构上有所差异,石墨SP2结构为三向配位的二维分子面(CN=3),金刚石SP3结构为四向配位的三维分子体(CN=4),因此只要将石墨加给足够的压力跟温度,亦即给予足够的能量,予以适当的催化剂,即可将石墨转换成为金刚石,一般来说转换石墨成为金刚石需要1200-1500度C的高温,同时合并要有5-7万个大气压,这样的设备主流的生产方式有两种设备即两面顶与六面顶两种设备,但因六面顶生产成本及生产效率较两面顶来得能够降低成本,目前高温高压生产的金刚石,有超过九成都是以此方法生产

2. 爆炸法

爆炸法分为两种, 一种为直接合成,是在密闭空间引燃炸药,在空间内因气体爆发大量的碳原子彼此互相一起撞击产生高压,且处于缺氧的情况下,将炸药本身的碳原子瞬间压成炸渣,此种方式所得到的金刚石颗粒极小比表面积极大,因此会吸附大量的杂质,这种直接合成法适用于生产单晶的奈米金刚石。

另一种爆炸法为以超音波震波件接着撞击石墨,使其石墨在瞬间转换为微米或是奈米金刚石,制造实为将石墨与铜粉均匀混合,并施以等静压法制成圆棒,圆棒以一内含真空隔层的钢管密封,再加以数公吨的炸药填塞于周围,点燃炸药后会把钢管由一端挤压到另一端,管内石墨会在瞬间经历约数千度及20~30万左右的大气压力,在数微秒内石墨会转变成金刚石,这种制作方法出来的钻石因含有大量缺陷的多晶体,外形如爆米花或土豆状,因此此种方法多为生产多晶奈米或微米金刚石

3. CVD 气相沉积法

气相沉积法 (CVD) 金刚石是用一种较为新型的培育金刚石的方法,将含碳气体(甲烷气体)充满真空室,真空室底部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,整个结晶过程会持续数周,所产生的片状晶体通常会有黑色的粗糙边缘,晶体也常呈现棕色,不过可以通过热处理去除。运用CVD合成法培育的金刚石晶体大多呈褐色或浅灰色,但如果在真空室中加入少量氮或硼,则可培育出黄色,粉红色- 橙色或蓝色晶体,通过这种方法,也可能培育出无色晶体,但培育周期更长。通过CVD合成法培育而成的金刚石大部分是IIa型,而市面上大多数通过CVD合成法培育的无色金刚石都是经过HPHT退火脱色处理的棕色晶体。运用CVD合成法和运用HPHT合成法所培育出的金刚石具有不同的宝石学特性,运用CVD合成法培育出的金刚石往往具有更高的透明度,并且几乎没有内含微小的暗色。

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