高温高压（HPHT）合成钻石设备：六面顶液压机

理论上钻石是生长在地底下180km到200km这种深度的地方，伴随着超高的温度，超高的压力。然后跟随着岩浆运动来到地表，这样形成的岩脉就是一般我们的讲的金伯利岩。由于钻石生成的环境距离我们地表非常遥远，理论上要开采，要找到钻石是件非常不容易的事情，所以人类也一直希望用科学的方式能够克服这一点，能够做出跟天然钻石一模一样材质，物性的人工宝石。

把碳物质，施以地壳下相同高温高压的环境后，理论上就应该开始生长钻石了，但无论如何它就是不长。

之后科学家意识到地球的内部，也就是钻石的生长环境中，还有很大量的铁钴镍这些金属物质存在，所以在后来的实验中，加入了铁钴镍这样的金属触媒进去。发现一个很有趣的现象，在高温高压下，碳的同素异形体石墨，会融到融化了的铁钴镍里面，然后形成人造钻石。也就是说，将石墨，铁钴镍施压到例如55000个大气压力，加热到1400℃到2500℃这个温度，所有的石墨都会溶解到熔融了的铁钴镍金属触媒中，转变成为人造的钻石，生长成跟天然钻石几乎一模一样成分，一模一样结构物性的人造的材质。现如今合成宝石级HPHT钻石所使用的碳源为钻石粉（金刚石粉）并非石墨。便为HPHT法（高温高压法）合成的人造钻石。目前,实验室培育钻石的制造方法主要分为两种,一种是高温高压法(HPHT合成钻石),一种是化学气相沉淀法(CVD合成钻石)。

高温高压（HPHT）合成钻石技术介绍：

一直密切关注高温高压（HPHT）合成钻石的生产技术、产品等现状和进展。什么是HPHT钻石？HPHT钻石技术为在高温热压烧结炉中通过高温高压处理过的钻石，让成色差点的钻石等级变更高。HPHT，其实是英文High Pressure & High Temperature 的简称，意为“高温高压”。可以通过高温高压减轻和去除钻石中的褐色，提升钻石的颜色等级，甚至改变某些特定种类钻石的体色，以及合成人工钻石，所以这类钻石也被叫做“高温高压钻石”。国外，美国GE公司是HPHT钻石比较出名的HPHT钻石公司

多面加压高温高压烧结炉为高温高压HPHT法合成钻石所使用的常见的设备之一，专业学名叫做“多面顶压机”。一般采用六面顶压机外,还有两面顶压机以及分球式顶压机可以合成HPHT钻石。

多面顶压机：六面顶压机

六面顶压机装配6个可立控制的工作活塞，两两相对，分别从XYZ三个方向对样品施加压力。6个工作活塞立控制，使得在XYZ三个方向可施加不同压力，研究样品在高压下的形变和位错。

六面顶压机又分为铰链式和拉杆式两种，一级压腔所能达到的压力可达8GPa。六面顶压机采用机械液压压力，六面顶压机具有6个工作油缸，一级加压可达8GPa,在其六面体压腔中直接放入二级6-8模增压装置，形成八面体压腔，压力可达25 GPa，温度可达2500℃。加热方式可为光波导热法。

六面顶压机技术参数：

1、压力范围：一级加压可达8GPa,二级加压可达25GPa；

2、设计温度：2500℃

3、温度范围：25-2500℃；

4、样品大小：直径可达3 mm，高度可达4mm；

5、压腔规格：10/4或14/8(八面体传压介质边长/二级增压立方块截角边长,单位：mm）；

6、加压精度：液压系统油压控制精度可达0.1MPa；

7、加热重复性好：腔体内样品相同的情况下，加热功率与腔体内中心温度的对应关系具有良好重复性；

8、结构简单：易于操作与维护；

9、设计精密：六个顶锤两两对称且同轴布置，三条轴线相互垂直且交于一点,偏差小于1mm；

10、软件控制：可在个人电脑上对压力、温度进行监控和数据记录；

11、操作时间灵活：可实现数小时至数天不间断工作。

早期这种机器只是拿来合成工业用钻石，工业用钻石就是一堆小颗的钻石，不能作为宝石用。后来的研究发现，在生长之前，只要置入钻石晶种（稍大颗粒钻石），后面所长出来的钻石结晶都会附着在钻石晶种之上，从而形成大颗粒的人造钻石。除了六面顶压机，还有两面顶压机以及分球式顶压机可以合成HPHT钻石，基本原理相同。

采用高温高压法（HPHT）合成的钻石，存在一定的先天劣势，比方说它生成的小颗的钻石成本低，但是大颗粒的成本相对很高，所以之前一般市面上见到的HPHT法培养钻都是以小颗粒居多。并且早期的hpht法合成钻石，由于使用了铁钴镍金属触媒，会在合成钻石的内部留有金属残渣，机器内极少量的氮元素也会混入到合成钻石中，因而早期使用该法生成的钻石会呈现黄色。并且由于合成钻石内部掺杂了铁钴镍金属杂质，所以早期HPHT钻石能够被强力磁铁所吸附。1955年美国GE公司次用高温高压的方法合成金刚石，到上世纪90年代才合成出尺寸和品质“双达标”的宝石级金刚石。不过近年来高温高压（HPHT）技术迅猛发展，合成无色，大颗粒钻石已不成问题。

虽然总数量上黄-橙系列HPHT合成钻石占大头，但近年来无色和蓝色合成钻石的比例明显增加。

CVD法培养钻石技术：

而与HPHT法相对应的CVD法培养钻石（化学气相沉积法），是在目前比较热门的一个东西。它的基本原理是在真空中，利用甲烷气体的高热分解，分解出碳原子的等离子体，从而沉积出钻石。CVD技术早期的研发是用来生成一种叫钻石薄膜的东西，后来的研究中发现，如果加入钻石晶种，一样可以长非常大颗粒的合成钻石。CVD技术目前是非常热门的技术，包括美国，中国，日本，韩国，等等非常多国家的公司在合成CVD钻石。

理论上钻石是需要在高压的环境下才能够生成，但有一种气体叫做甲烷，化学式为CH4，结构如上图所示，可以想象成一个碳原子有四条手臂，分别牵着四个氢原子。在高温以及真空状态的环境下，甲烷会分解，碳原子跟氢原子的链接会分开，碳原子跟碳原子联结沉积到晶种之上，从而形成钻石。CVD技术培育钻石能以每小时0.006mm的速度增长，两天时间就能获得一颗周围包裹着石墨的钻石。CVD技术运用了真空技术，低压技术，但是它也是需要在高温的环境下才能生成。

CVD技术合成的钻石能达到高级天然钻石的净度与颜色，并且还有一个势就是相对HPHT更能培育出大颗粒的钻石。2017年，德国Ausgburg大学合成出一块直径92mm，155克拉的CVD钻石。

HPHT钻石对比CVD钻石

HPHT法与CVD法所培养出来的人工钻石，大致的区别。左侧是HPHT钻石，右侧是CVD钻石。理论上CVD法能培育出克拉数更大，品质更接近于天然高品质钻石的合成钻石，而由于近年来HPHT法技术的突飞猛进，HPHT法合成出来的钻石品质也已经没有问题，高品质的HPHT克拉钻也比比皆是。但是，如今CVD培养钻的市场价比HPHT培养钻的价格还是要略高的，当然相对的4C品质也会好一些。

CVD钻石毛坯

简单讲述过CVD与HPHT培养钻石的形成之后，那这个与天然钻石成分几乎一模一样的人工培育宝石，究竟可怕不可怕？实话说如果没有专业的鉴定设备的话，十分可怕。早前有过合成钻石的团队做过一个测试，他们把很多的合成钻石拿到当铺珠宝店，几乎没有营业者能看出来，因为所有的合成钻石，都表现出和天然钻石几乎一模一样的外观性质。

如上表所示，根据红外线光谱仪检测分类，天然钻石设计常见的都是Ia型，Ib，IIa，IIb型的天然钻石非常少见；HPHT法合成钻石大部分都是Ib型，其他如IIa，IIb比较少但是也有可能；CVD法合成的钻石基本都是IIb型。

虽然合成钻石和天然钻石几乎一模一样，但是在专业的机构仪器之下还是能被分辨出来，如阴极发光仪，拉曼光谱仪，红外光谱仪等。