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合成鑽石
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作者:高本榕 F.G.A GIA G.G. 
台灣省金銀珠寶商業同業公會聯合會珠寶顧問

合成和天然鑽石的化學成份及物理現象是沒有什麼差異,只不過,合成鑽石是經由工廠製造而成,而天然鑽石是假上天的手搓成。
由於合成鑽石具有與天然鑽石一樣的獨特物理特性,在工業上廣被使用,近年來電子和醫學上對合成鑽石的依賴也愈加倚重,因此合成鑽石的需求量大為增加,生產的方法層出不窮,技術也不斷地提昇。
合成鑽石是一種通稱,透過不同的應用和行業就給予它不同的稱呼;例如工業鑽,人造鑽,培育鑽石,或是鑽皮等等。雖然如此,但不是所有帶〔鑽〕字的東西都是鑽石,蘇聯鑽(CZ)是合成立方鋯石,完全跟鑽石搭不上邊,泰國水鑽是鋯石,也只是冒充鑽石而已。所以這些產品跟本沒有一絲鑽石的化學成份和物理特性。


合成鑽石的歷史
  古代煉丹,希望點石成金,十九世紀以來化學科技更加發展,對合成寶石積極研究,也想煉成鑽石,以下是它簡略的歷史軌跡:
 
  1、 英國一位有名的科幻小說家魏爾司(H. G. Wells)曾經在他的小說〔鑽石製造家〕(1911)中描述合成鑽石的概念。
2、 1953年瑞典一家電氣生產公司ASEA利用龐大的設備,產生83,000大氣壓,持續一個小時後有一些微小的結晶出現,但此次的發現製程並未公佈。
3、 1954年美國奇異電氣公司重復實驗並發表合成鑽石的製程於〔自然〕科學雜誌上,它便成為至今大家所公認的首創生產合成鑽石。
4、 往後的十多年,奇異公司和戴比爾斯工業鑽石為研發工業用鑽石的兩大主角。
5、 1980年代,中國、日本和韓國都出現上百家自稱有生產合成鑽石的公司。其中以日本的住友電氣重金屬,US Synthetic和Megadiamond較有名氣,1987年住友合成鑽石在市場上曇花一現,令許多人感到驚豔。
6、 進入21世紀,美國Apollo Diamond和Gemesis兩家號稱製造合成鑽石的公司活躍於市場,但只見到Gemesis公司有產品上市,並且在珠寶首飾界做了許多廣告,尤其著力於彩色鑽石。
7、 2006年以前,工業鑽石每年平均有十億美元價值的需求,產值約三億克拉(600噸),相對於珠寶用鑽石則僅有130萬克拉(約26噸)。
合成鑽石的生產技術
  生產合成鑽石有兩大主要技術;
 
  一、最早開發出來的是〔高壓高溫的技術〕(High Pressure High Temperature HPHT),它的生產成本較低,是當前最被廣為採用的方法。基本上它是在1,500℃,5萬個大氣壓力下,營造出數百萬年前天然鑽石在地底下形成的同樣環境,來生產合成鑽石。美國奇異公司運用的是壓帶式的設備(belt type apparatus),它的產量規模較大,這個技術至今仍為一般主要製造工廠所使用。
中國大陸則採用六方加壓(cubic press)方式,它是一種小型的產壓設計,所以它的產能比壓帶式小很多。
二、第二種方法是在1980年代研發出來的〔化學氣相沉積技術〕(Chemical Vapor Deposition)簡稱CVD,它主要的原理是用碳等離子體(carbon plasma)加強的化學蒸氣沉澱,把碳原子沉積在基質(鑽石、寶石胚種或其它物質)上,逐漸堆積成鑽石層。
  CVD製程的合成鑽石有下列的優點:
 
  1、 它不像HPHT僅能有限體積的培育,而是可以大面積的生產;目前已有15公分大面積的合成鑽石覆膜(coated with diamond)記錄,未來有可能更大。
2、 最主要的重點是這個方法可以將合成鑽石直接沉積在基質上,因此許多需要高導熱材料、耐熱槽、承軸、切割工具、或其它需要高硬度的工具都可以由此技術覆膜而取得該有的效果。
3、 這種技術還有一個特點;就是製造過程中,利用甲烷的介入狀況,壓力的調節和等離子體(plasma)的產生方法來控制合成鑽石內的碳結構,進而改變鑽石的特質,例如產生不同的硬度、光滑度、導熱、光學特性等等來滿足應用上的需求。
珠寶首飾市場的反應
  每當合成鑽石出現市場的消息上報,便引起消費者和業者的恐慌,其實對珠寶市場而言,天然寶石和合成寶石的消費市場界限是非常明顯,一般付得起的消費者他們的首選當然是天然寶石,尤其是當合成鑽石的成本還是相當高時,它吸引客戶的條件更明顯降低;當二十世紀初,合成寶石上市時曾造成業界的恐慌,然而經過幾年的調適,天然紅寶的市場有增無減,合成紅寶則走向一般飾品和工業用途。
1970年代的合成立方鋯石(蘇聯鑽)的命運亦何嘗不是如此。
今日的合成鑽石也一樣會走同樣的歷史軌跡;喜愛天然鑽石的人依舊對天然的鑽石情有所鍾,縱使合成鑽石的成本降低到合理的價格時,它還是只能擁有它區塊的客戶,並不會影響真正喜愛天然寶石的那一群。
其實,合成鑽石的研發,珠寶的市場只不過是他們考量的一個部份,最重要的是著重在一般工業生產或是改善生活的器具上,因為這些廣泛的消耗性用途才是他們真正營利的市場。
 
  (1) 凍地:具強蠟狀光澤,微透明至半透明,硬度為摩氏2—3,顏色又分單色和染色二類。其中白色半透明的叫"羊脂凍";黑色半透明的叫"牛角凍";黃色半透明的叫"田黃凍";灰色半透明的叫"藕粉凍",都是難得的佳品。而全紅凍地或五彩凍地則更珍奇,十分少有。
(2) 軟地:具弱獵狀光澤,微透明至不透明,硬度為摩氏3—4,也可分單色和染色二類。這是雞血石中產出最多的品種,約占總產量的70%。這一類中常有含砂釘或暗淡無光者則屬下品。
(3) 剛板:硬度達摩氏3—5,其特點是質地雖較細潤,但脆性大,易碎裂。不少人誤以為是凍地而買進,結果刀不能入。故在購買雞血石時,應要求賣主給予試刀機會。
(4) 硬地:常為矽化凝灰岩,顏色以灰為主,硬度達到7,俗稱"硬貨",光澤差,屬低檔料。
參考資料:
  Wikipedia.com
Gem & Gemology
金石共和(No.7)
 
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