人工合成钻石是否能替代天然钻石？

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合成钻石与天然钻石究竟有什么区别呢？且慢慢往下看。

碳方程新材料 MPCVD-4 设备

1、形成过程不同

天然钻石的成因

天然钻石的形成分为两类，一类是地幔深处形成后被岩浆岩带到地表的钻石，另一类是陨石撞击形成的多晶金刚石。

1、地幔

地球上绝大多数天然钻石来自地下150-250km深处——天然有着高温高压环境的上地幔——它们多形成于33亿年前及12~17亿年这两个时期，经过岩浆活动被带到地表，后再火山岩筒中被人类找到。

金伯利岩岩浆侵位的理想模型

另外，在压强和温度合适的情况下，地壳深处、俯冲带、过渡带、下地幔里也可能形成一些钻石，不过产量很少、质量也不好。

2、小天体撞击

小天体撞击过程中产生瞬时高温高压，可以迅速将地表碳元素变成金刚石。俄罗斯有名的波皮盖金刚石矿就是陨击形成的矿藏。不过，撞击形成的天然钻石大多颗粒较小，质量也达不到商业价值的观赏水平，只能作用工业钻石。

俄罗斯波皮盖陨石坑航拍图

合成钻石制造法

合成钻石主流制造法目前分为两种，一种是高温高压法（HTHP），另一种是化学气相沉积法（CVD）。

（1）HTHP法

即在高温高压下模拟钻石自然生长的条件，将钻石的同素异形体石墨进行结构改变，形成合成钻石。这种工艺一般需要10GPa、3000℃以上的压力和温度。如果有金属催化剂（Fe、Ni、Co、Mn等及它们的合金）的参与，石墨相变为钻石所需的条件可大幅降低，通常需要的压力为5.4GPa温度为1400℃。

（2）CVD法

是一种在高温低压条件下，将碳从含碳混合气体沉积成钻石基体的合成方法。具体化学方法有微波等离子法、热丝法等。其中MPCVD（微波等离子气体化学气相沉积法）是现阶段合成单晶钻石的研究热点。这种方法是在一定带电环境下将甲烷等气体打散，让其中的碳元素落在金刚石钟晶上，然后一层层加厚。

2、晶体形态不同

●天然钻石会长成单晶形态（以八面体为主）或聚晶或集合体的形态。

天然钻石原石与其表面溶蚀坑

●HTHP法合成出的钻石发育晶面以面为主，最终形成的多是立方体形态；而CVD法的形成过程是碳原子一层层落到钟晶上，所以合成出来的钻石多呈板状，没有固定的晶体形态。

HTHP合成钻石，为八面体+菱形十二面体

CVD法合成出的钻石单晶

3、主要成分一致，但杂质有区别

●天然钻石与合成钻石主要成分都是碳。天然钻石还含氮、氢、硼等杂质元素。

●HTHP法合成的钻石，因为加入Fe、Ni等触媒，最终晶体内除了常见的氮、氧、氢等杂质外，还会包裹进一些Fe、Ni等触媒。而且，人造金刚石由于形成速度快，内部常有包裹体、气泡，及碳原子空位、错位等。

合成钻石的阴极发光图，条带十分清晰

4、常规条件下天然钻石与合成钻石的鉴别