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未来钻石会是白菜价吗?揭秘钻石是如何人工培育出来的

2022-12-08 22:31:26 3098

摘要:说到钻石,我们经常将它与昂贵和坚硬联系到一起。众所周知,钻石的主要成分是碳,本身原料并不稀奇。之所以稀有,是因为钻石的形成条件非常苛刻。天然钻石诞生在地幔层,并随着火山运动来到地球表面。开采后的天然钻石中,大部分属于工业级金刚石,能够达到珠...

说到钻石,我们经常将它与昂贵和坚硬联系到一起。众所周知,钻石的主要成分是碳,本身原料并不稀奇。之所以稀有,是因为钻石的形成条件非常苛刻

天然钻石诞生在地幔层,并随着火山运动来到地球表面。开采后的天然钻石中,大部分属于工业级金刚石,能够达到珠宝级的钻石少之又少,再加上开采难度大,因此在过去,钻石长期被皇室、贵族等垄断。

随着科学技术的进步,人们开始思考:既然钻石的原料很容易获取,且钻石售价高昂,我们可不可以生产出人造钻石呢?1954年,通用电气公司宣布他们生产出了第一个商业用途的人造钻石。至此,培育钻石正式进入了工业及消费领域。


如何培育钻石

在了解培育钻石之前,我们先要了解天然钻石是怎么形成的。

天然钻石形成于地下深处约177~241公里。这个深度的压力可以达到近50000个大气压。温度范围从1100℃~1500℃。这些强烈的地质条件将碳压缩成最致密的形式,在岩浆中形成钻石。所以在钻石的形成过程中,温度和压力是重要条件。

而培育钻石又称生长钻石,通俗得说就是用小钻石作为“种子”,通过技术手段模拟天然钻石的生长环境,让“养料”中的碳原子逐渐附着在钻石种子上,从而让钻石种子成长为更大的钻石晶体。

培育钻石在晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面都可与天然钻石相媲美。从数据对比来看,培育钻石与天然钻石的光学特性、物理特性、化学特性及硬度也是完全相同的。


培育钻石的生产方式

培育钻石的生产技术主要有HPHT( High Pressure High Temperature)高压高温法CVD(Chemical Vapor Deposition)化学气相沉积法,培育时间约为半个月至一个月。高温高压法主要以中小颗粒钻石为主,生长速度快;CVD法具备大颗粒优势,净度更高、更可控。

高温高压法(HPHT)

HPHT主要是利用高温高压技术模拟天然钻石的生长过程,在地上重现碳元素层的反应,使碳粉中的碳原子重新连接形成钻石晶体。

将一个包含碳材料、称为金属熔剂的金属混合物和小钻石种子放入压机中,使用的碳原料通常是石墨;

将压机生长仓加热至1300℃~1600℃的温度,并加压至59200个大气压;

将碳源溶解到金属熔剂中,有助于降低形成钻石所需的温度;碳源通过熔融金属混合物在钻石种子周围结晶缓慢长大,最终形成培育钻石毛坯。

化学气相沉积(CVD)

CVD是在高温低压的真空环境下,使气体中的碳原子均匀的沉积到天然钻石薄片中,生长到足够的厚度,形成培育钻石。CVD由于工艺和生产成本限制,适合生产3.5克拉以上的培育钻石毛坯。

将真空室抽真空,用混合气体(包括碳、氢和氧)填充真空室;

将基板添加到真空室中,通常是金刚石种子的晶种片;

使用微波、激光或热灯丝将真空室加热到800℃~1000℃的温度,来自热源的能量使碳从气态混合物中沉淀出来并粘附在基材上,基材开始结晶成金刚石。

HPHT(左)与CVD(右)工艺对比


全球培育钻石产业链

培育钻石的上游产业主要有:培育钻石原材料、培育机器设备、以及培育钻石生产供应商。据统计,全球40%的培育钻石原石来自中国,生产厂家主要集中在河南。

中游产业主要是培育钻石毛坯的切割、打磨和抛光等加工和培育钻石的成品贸易,95%的钻石加工产业集中在劳动力廉价且密集的印度。下游产业包括零售和珠宝品牌销售,主要消费市场集中在美国。

根据贝恩数据显示,2020年全球高温高压技术生产的培育钻石中,有90%来自中国,俄罗斯产能占6%,中国几乎垄断了全球HPHT钻石的产能;CVD钻石生产产能分布较均匀,印度、美国、新加坡、欧洲中东分别占37%、25%、25%、13%。

资料来源:贝恩,华经产业研究院整理

2018年全球培育钻石产量为144万克拉,渗透率仅为1%,由于疫情影响和天然钻石原料紧缺等因素影响,全球钻石总产量减少,为满足市场钻石消费需求,培育钻石产量增多,渗透率稳步上升,2019年和2020年培育钻石产量分别为600万克拉、700万克拉,渗透率达到4.1%、5.9%。

资料来源:贝恩,华经产业研究院整理

除了首饰消费用途,培育钻石也被应用于半导体材料领域。CVD法工业金刚石可用于高精尖的功能性材料。目前世界各国正加紧研发半导体金刚石,日本已成功研发出超纯2英寸金刚石晶圆,其储存能力相当于10亿张蓝光光盘。

CVD钻石可以用在半导体芯片、电子器件散热,例如金刚石晶圆拼接方式制作CVD大面积单晶晶圆,作为LED、半导体芯片衬底,可完全解决散热问题。未来,在工业半导体才是培育钻石最大应用的地方,需求量预计是首饰钻石的百倍份额。

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