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倾恋珠宝:深度科普如何鉴别天然钻石与实验室培育钻石?

2019-07-01 14:23 作者:匿名 文章来源:未知 点击:

国际珠宝网讯,近期珠宝行业最热的话题,必然是合成钻石,商业上也称实验室培育钻石。鉴别天然钻石与合成钻石,是当前国内外珠宝鉴定的重点和难点。

 

合成钻石,是在实验室中模拟自然界的温度压力条件,利用种晶生长的钻石,其物理性质、化学成分,与天然钻石几乎完全一致,常规检测方法无法区分出天然与合成钻石。

 

有别于钻石仿制品,如合成立方氧化锆或合成碳硅石,两者只是看起来像钻石,但具有截然不同的化学和物理特性,易于区分。

 

而合成钻石的化学和物理特性与天然钻石非常接近,相比而言更难鉴别。为了准确的区分天然与合成钻石,GIA在过去30年里对合成钻石的制作及鉴定方法进行了广泛而深入的研究。

 

倾恋珠宝:深度科普如何鉴别天然钻石与实验室培育钻石?

 

左:天然钻石颜色;中:处理后的天然钻石颜色;右:处理后的合成钻石颜色

 

为此,GIA建立了一个大型数据库,里面包含有关各类型钻石的宝石学特征信息,利用该数据库可以有效的鉴别天然、合成以及经处理的钻石。那么合成钻石究竟该如何鉴定呢,一起看看吧。

 

钻石的分类

 

要想区分天然与合成钻石,首先需要了解钻石是如何分类的:根据钻石有无氮原子,钻石可分为I型和II型钻石,I型钻石含有杂质氮原子,而II型钻石则没有。

 

倾恋珠宝:深度科普如何鉴别天然钻石与实验室培育钻石?

 

C=碳原子,N=氮原子,B=硼原子。

 

根据氮原子的聚集状态,I型钻石可进一步分为Ia型钻石和Ib型钻石,Ia型钻石中氮原子呈聚集状态,Ib型钻石中氮原子呈孤氮分布。

 

根据有无其他杂质原子,II型钻石可进一步分为IIa型钻石和IIb型钻石,IIa型钻石不含其他杂质元素,IIb型钻石常含硼原子。

 

倾恋珠宝:深度科普如何鉴别天然钻石与实验室培育钻石?

 

最新一期Gems & Gemology(Fall2018)刊登了来自GRS实验室的Branko Deljanin等的一篇短文,介绍了该实验室对无色-近无色天然钻石与合成钻石的鉴定流程。

 

天然与合成钻石生长过程的区别

 

天然钻石在一系列温度和压力条件下生长。其温度比生长合成钻石所用的温度更高。在高温下,钻石生长为八面体晶体,但在较低的实验室温度下,它们生长为同时包含八面体和立方体晶面的晶体。

 

天然钻石的漫长生长时间意味着,大多数钻石中的氮杂质必须经过一段时间进行聚集,以成对或成群出现,从而形成大部分,即95%以上的Ia型钻石。

 

合成钻石的生长周期非常短,只需要数周至一个月或更久,条件与地球深处的天然钻石形成条件不同。由于生长期非常短,合成钻石晶体的形状与天然钻石有很大不同。

 

 

天然钻石晶体(左)显示典型的圆形八面体形状。火山爆发构成了金伯利岩管(中),从而将这些晶体带到表面。天然宝石级钻石的理想晶体形状是八面体(右)。

 

钻石的合成方法

 

传统的合成方法,称为高温高压(HPHT)法,涉及利用铁(Fe)、镍(Ni)或钴(Co)等熔融的金属合金形成钻石。较新的方法,称为化学蒸气沉淀法(CVD)或低压高温(LPHT)法,涉及从真空室内的气体形成钻石。在两种方法中,都是使用钻石晶体或板块被用作晶种,以开始合成。

 

高温高压合成钻石

 

高温高压(HPHT)钻石生长发生在装置内的一个小舱室里,该装置能够产生非常高的压力。在舱室内,钻石粉末原料溶解在熔融的金属助熔剂中,然后在晶种上结晶,以形成合成钻石晶体。结晶过程需要数周至一个月或更长时间,以形成一个或几个晶体。

 

除了八面体表面,HPHT合成钻石晶体通常还会显示立方体表面。由于天然和HPHT合成钻石晶体的形状不同,它们的内部生长模式也大不相同。这些生长模式可能是将其区分的最可靠方法之一。

 

打磨后的刻面合成钻石通常会展示出一些可见特征,例如颜色分布、荧光分区和孪晶纹,这都与它们的十字形生长区结构有关,偶尔还会显示有深色的金属助熔剂内含物。某些情况下,在关闭紫外线灯后,材料可以持续性地发光,即磷光现象。这些合成钻石可以通过专业鉴定技术(比如可见光和荧光光谱)来进行可靠鉴定。

 

大多数HPHT生长晶体呈黄色、橙黄色或褐黄色。几乎所有均为IIb型,该类型在天然钻石中非常稀少。

 

制造无色HPHT合成钻石非常具有挑战性,因为需要修改生长条件和设备,以排除氮。此外,高纯度无色钻石(IIa型或较弱的IIb型)的生长率比Ib型合成钻石的生长率低,因此在温度和压力条件下需要更长的生长时间和更大的控制。虽然生长优质无色HPHT晶体一直都很困难,但最新发展技术已经能制造出用于超过10克拉的钻石晶体。

 

蓝色合成钻石的出现是因为在钻石生长过程中添加了硼。其他颜色,例如粉红色和红色,可通过宝石后期生长处理工艺(包括辐射和加热)来产生,但较不常见。

 

钻石晶体

 

在高温高压合成中,压力机(左)对包含必要成分的中间生长室应用极高的压力和温度。这便产生了立方体和八面体表面(中和右)相结合的合成钻石晶体。

 

CVD法合成钻石

 

CVD钻石生长在填充有含碳气体(如甲烷)的真空室内进行。能量源(如微波束)分解气体分子,碳原子向下吸附到扁平的钻石排种盘中。结晶过程需要数周时间,以同时形成多个晶体。确切的数量取决于真空室的尺寸和排种盘的数量。板状晶体通常带有粗糙的黑色石墨边缘。它们常常还会显示为褐色,在进行宝石刻面的步骤之前,通过热处理可去除该颜色。

 

合成钻石

 

市场上常见的宝石级CVD法合成钻石(0.22至0.31克拉)。

 

大多数CVD晶体都呈褐色或灰色,但如果将微量的氮或硼引入到真空室中,也能产生黄色、粉红橙色或蓝色的晶体。采用这种方法制造无色晶体则更容易,但晶体生长的时间要更长。目前市场上销售的大多数CVD生长的无色钻石都被认为是已经过高温高压热锻脱色处理的褐色晶体。最常见的CVD合成钻石是IIa型。

 

与HPHT生长的材料相比,CVD合成钻石表现出不同的宝石性质。当被放在交叉偏振滤光镜之间观察时,它们往往呈现有色带状的“应力”图案,且净度很高,只有少量深色的碳内含物(若有)。

 

 

在化学蒸气沉淀法(CVD)合成中,富含碳的气体在平坦的钻石晶种表面沉积,从而形成合成钻石。合成钻石在薄层中生长,其最终厚度取决于允许生长的时间(左)。这便产生了扁平的板状晶体(中和右),外部带有黑色石墨晶体涂层。

 

与HPHT合成一样,CVD合成不断改善,允许制造商提供更大尺寸和经过改善的颜色与透明度。GIA近期对两颗重量为2.51和3.23克拉的大尺寸CVD合成钻石进行检测,这是迄今为止检测的最大的CVD生长钻石。

 

 

理想化晶体(从左至右):CVD合成品、HPHT合成品和天然钻石。八面体表面显示为黄色,立方体表面为蓝色。大部分天然钻石生长为八面体(右),但HPHT合成品(中)通常显示立方体和八面体表面的结合。CVD合成品(左)中完全没有八面体表面。晶体生长的方向如箭头所示。虚线代表HPHT合成钻石中晶种的位置和CVD合成品中晶体的边缘。

 

从图中可以看出,合成钻石(实验室培育钻石)与天然钻石的鉴别,是多种检测手段、多种仪器联用的检测过程。训练有素的宝石学家使用多种宝石检测设备,包括折射仪、紫外荧光灯、双目显微镜、偏光器及其他检测工具。由于合成钻石的质量逐渐提高,使用标准设备将其与天然钻石区分开来变得更加具有挑战性。

 

检测流程

 

将Branko Deljanin的检测流程重新整理并翻译后,如下图:

 

检测流程

 

01、铁、镍金属包体

仪器设备:宝石显微镜/磁铁

 

如显微镜可观察到钻石内部含有铁、镍等金属包体,或可以被磁铁吸附,那该钻石为合成钻石(实验室培育钻石);如无,刚进入下一步检测。

 

宝石显微镜(左)及放大的铁、镍金属包体(右)

 

宝石显微镜(左)及放大的铁、镍金属包体(右)

 

 

合成钻石中各种类型的金属包体(Sally Eaton-Magaña etc.,Gems & Gemology, Fall 2017, Vol. 53, No. 3)

 

02紫外荧光观察

仪器设备:紫外荧光灯

 

如长波荧光强度>短波荧光强度,则为天然钻石;如短波荧光强度>长波,则进入③;如无荧光,则进入⑤

 

03磷光测试

仪器设备:紫外荧光灯

 

如具明显磷光,刚为合成钻石(培育钻石);如无,则进入④

 

紫外荧光灯(左)及钻石的荧光和磷光(右)

 

紫外荧光灯(左)及钻石的荧光和磷光(右)

 

04双折射测试

仪器设备:偏光显微镜

 

如观察到异常消光现象或“榻榻米”消光现象,则为天然钻石;如无消光或柱状消光,则为合成钻石(实验室培育钻石)。

 

偏光显微镜(左)及偏光下观察到的天然钻石中“榻榻米”消光现象

 

偏光显微镜(左)及偏光下观察到的天然钻石中“榻榻米”消光现象

 

05紫外透过率

仪器设备:Diamondsure

 

如测试为非II型,则为天然钻石;如测试为“II型”或“进一步检测”,则进放进阶仪器测试阶段。

 

 

Diamondsure

 

06II型测试

仪器设备:红外光谱仪

 

如测试为非II型,则为天然钻石;如为II型,则进入⑦

 

红外光谱仪(Bruker,TENSOR27)

 

红外光谱仪(Bruker,TENSOR27)

 

HPHT合成钻石的红外谱图

 

HPHT合成钻石的红外谱图(Troy Ardon,Gems & Gemology,Winter 2014,Vol.50,No.4)

 

07PL光谱/紫外可见吸收光谱

仪器设备:拉曼光谱仪/紫外分光光度计

 

具N3吸收峰,则为天然钻石;具Si、Ni吸收峰,则为合成钻石。

 

拉曼光谱仪(Renishaw)

 

拉曼光谱仪(Renishaw)

 

天然钻石的PL光谱图

 

天然钻石的PL光谱图,514nm激光(Wasura Soonthorntantikul,Gems & Gemology,Summer 2016,Vol.52,No.2)

 

08生长结构

仪器设备:DiamondView/阴极发光仪

 

天然钻石和合成钻石,因生长环境不同,具有不同的生长结构。

 

 

DiamondView

 

CVD合成钻石的生长结构

 

CVD合成钻石的生长结构(Caitlin Dieck etc.,Gems & Gemology,Winter 2015,Vol.51,No.4)

 

事实上,合成钻石,其物理属性和化学组份跟地下挖出的天然钻没什么区别。

 

 

实验室培育钻石是采用人工方法模拟天然钻石结晶特点生成并制造的钻石,其化学、物理、原子、光及所有特性与天然钻石相同,在每一个方面上都是真正意义的钻石。实验室培育钻石,保护我们的地球环境,避免因利益冲突而造成的无畏杀伐,促进了世界和平。

 

检验过程小节

 

仅凭单一的测试手段,无法准确判定钻石是否为天然,只有通过一系列测试及仪器联用,才能作出准确的结论。

 

不同实验室对合成钻石有不同的检测流程,以上检测流程仅为GRS实验室所公开的检测流程。

 

云南省昆明市倾恋珠宝有限公司是一家集裸钻采购、首饰加工设计、珠宝终端运营、互联网运营于一体的珠宝公司,以加盟分销、直营批发为主要商业模式,公司主营各类钻石、新钻首饰,新钻裸石定制、批发以及钻饰品的设计、生产、销售业务。

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